Betriebssysteme und Rechnerarchitektur an der Wilhelm Büchner Hochschule

Karteikarten und Zusammenfassungen für Betriebssysteme und Rechnerarchitektur im Technische Informatik Studiengang an der Wilhelm Büchner Hochschule in Pfungstadt

CitySTADT: Pfungstadt

CountryLAND: Deutschland

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  1. Programmierschnittstelle


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Exceptions

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Adresswerk

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  1. virtuelle Maschine (VM)


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Echtzeitbetrieb


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Mehrprozessorsysteme


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  1. Welche Teile eines Prozesses können parallelisiert werden?


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Ein Hauptspeicher besteht aus DRAM-Bausteinen mit einer Zykluszeit von 200 ns, der vorgeschaltete Cache aus SRAM-Bausteinen mit 50 ns Zu- griffszeit. In dieser Zeit ist die Hit/Miss-Entscheidung enthalten. Der Pro- zessor greift auf den Cache ohne Wait States und auf den Hauptspeicher mit 3 Wait States zu. Die Hit Rate beträgt 80 %.

Berechnen Sie die durchschnittliche Zugriffszeit auf ein Datum sowie die durchschnittliche Anzahl der benötigten Wait States.

(Die Buszykluszeit des Prozessors ist 50 ns.)


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Hardlinks

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Leistungsfähige Universalmikroprozessoren:

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Benutzerschnittstelle


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Computersystem vorhandenen Ressourcen können u. a. folgende Kriterien herangezogen werden:


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Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


  1. Programmierschnittstelle


Die Betriebsystemfunktionen lassen sich über die Programmierschnittstelle (application Programming Interface )auch programmtechnisch nutzen. Unter Linux werden Betriebssystemfunktionen auch Bibliotheken (library) bezeichnet. Dazu wird dem Nutzer, hier ein Programmierer, über ein Programmiersystem (Compiler oder Entwicklungsumgebung )der Aufruf von Systemdiensten ermöglicht. Der Aufruf der angeforderten Dienste durch das Betriebssystem erfolgt natürlich erst beim Ausführen des selbst geschrieben Programms.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur

Exceptions

  • Exceptions (Ausnahmen) sind Interrupts, die vom Prozessor erzeugt werden, 

  • oder Traps (Fallen), in die der Prozessor nach dem Auftreten bestimmter prozessorinterner Ereignisse kommt.

  • Ihre Auswirkungen entsprechen denen eines Software- Interrupts. Die Ursachen sind allgemein Fehlerbedingungen, die den Eingriff von Systemsoftware bedingen und vom Prozessor nicht mehr allein behandelt werden können.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur

Adresswerk

Das Adresswerk (Adress unit) hat die Aufgabe, nach den Vorgaben durch das Steuerwerk, aus dem Inhalten von Konstanten, bestimmte Speicherzellen und Register die Adresse eines gewünschten Operanden zu bilden

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


  1. virtuelle Maschine (VM)


  1. Jede virtuelle Maschine (VM) verhält sich wie ein vollwertiger Computer mit eigenen Komponenten. Sie läuft in einer abgeschotteten Umgebung auf einem physischen Rechner. In ihr kann ein Betriebssystem mit Anwendungen genau wie auf einem realen Computer installiert werden. Die Anwendungen merken 

    nicht, dass sie sich in einer virtuellen Maschine befinden. Anforderungen der Betriebssysteminstanzen werden von der Virtualisierungs-Software abgefangen, und auf die real vorhandene oder emulierte Hardware übertragen. Die virtuelle Maschine selbst bekommt davon auch nichts mit.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


Echtzeitbetrieb


Das Betriebssystem erhält seine Aufträge hierbei oft direkt aus einem technischen Prozess (z. B. von Sensoren zur Airbagsteuerung in einem Fahrzeug). Es muss diesen Prozess zusammen mit den Anwendungs- programmen überwachen, steuern und regeln, deshalb muss die Antwortzeit hier in jedem Fall (!) unterhalb eines Grenzwertes liegen, wobei dieser immer vom konkreten Anwendungsgebiet abhängt (oft im Millisekundenbereich). Beispiele hierfür waren und sind VRTX, QNX, VxWorks, LynxOS, Enea OSE, MS Windows CE.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


Mehrprozessorsysteme


Um die Forderung nach noch höheren Rechenleistungen erfüllen zu können, wur- de ein Verfahren entwickelt, bei dem in einem Rechner mehrere Prozessoren ein- gesetzt werden, die sich die Aufgaben teilen. Hierbei handelt es sich nicht, wie bei den Einprozessorsystemen, um Prozessoren mit speziellen Aufgaben, sondern um gleichrangige CPUs. Dabei kann jede CPU den in den vorhergehenden Kapiteln behandelten Strukturen entsprechen. Ein Mischen von selbstständigen skalaren Prozessoren und Vektorprozessoren ist jedoch nicht möglich.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


  1. Welche Teile eines Prozesses können parallelisiert werden?


In einem Prozess können parallel ablaufen:

  • Threads und Unterprogramme, bei denen keine Datenabhängigkeit vorhanden ist

  • Programmstrukturen, in denen Anweisungen als mehrere identische Maschinenbefehle ausgeführt werden können (z. B. Iterationen)

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


Ein Hauptspeicher besteht aus DRAM-Bausteinen mit einer Zykluszeit von 200 ns, der vorgeschaltete Cache aus SRAM-Bausteinen mit 50 ns Zu- griffszeit. In dieser Zeit ist die Hit/Miss-Entscheidung enthalten. Der Pro- zessor greift auf den Cache ohne Wait States und auf den Hauptspeicher mit 3 Wait States zu. Die Hit Rate beträgt 80 %.

Berechnen Sie die durchschnittliche Zugriffszeit auf ein Datum sowie die durchschnittliche Anzahl der benötigten Wait States.

(Die Buszykluszeit des Prozessors ist 50 ns.)


Die durchschnittliche Zugriffszeit beträgt: 0,8 * 50 ns + 0,2 * 200 ns = 80 ns

Durchschnittliche Anzahl der Wait States (WS): 0,8 * 0 WS + 0,2 * 3 WS = 0,6 WS

(In den 50 ns Zugriffszeit des Caches ist die Zeit für die Hit/Miss-Ent- scheidung enthalten.)

Anhang

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur

Hardlinks

  • Hardlinks (Feste links) ist ein zweiter Name für eine Datei
  • Beide Dateien verwenden dieselben Datenblöcke und besitzen dieselbe I-Node-Nummer, d.h. sie werden unter derselben Nummer von System verwaltet, woraus folgt, dass es sich um die selben Dateien handelt.
  • Hardlinks besitzen einen Linkcounter und können erst gelöscht werden wenn dieser auf 0 steht. (I-Node freigegeben)
  • Hardlinks können nicht Partitionsübergreifend genutzt werden, da die I-Node-Nummer nur innerhalb einer Partition eindeutig sind

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur

Leistungsfähige Universalmikroprozessoren:

Diese Halbleiterchips verfügen über eine ganze Reihe von Hardwareelemen- ten, die ein Betriebssystem unterstützen, u. a. MMU (Memory Management Unit) und ein Privilegiensystem mit Mechanismen für einen privilegierten Betriebsmodus für die Systemsoftware. Diese Universalmikroprozessoren eig- nen sich nicht nur für Desktop-Systeme, Server, Tablets und Smartphones, sondern ebenso für Embedded-Systeme.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


Benutzerschnittstelle


Die Benutzerschnittstelle (user interface) dient dem Zusammenwirken zwi- schen Betriebssystem und Benutzer, d. h. sowohl zur Übermittlung von Auf- trägen an das System als auch zur Rückgabe der Resultate an den Benutzer.

Betriebssysteme und Rechnerarchitektur


Computersystem vorhandenen Ressourcen können u. a. folgende Kriterien herangezogen werden:


  • System-Schicht:
    •  Hardware-Ressourcen, z. B. Drucker, Hauptspeicher

    • Software-Ressourcen, z. B. Programmcode, Dateien, Nachrichten

  • Nutzbarkeit:
    • Lokale (individuelle) Ressourcen gehören ständig nur jeweils einem Prozess.
    • Globale Ressourcen stehen allen Prozessen zur parallelen Nutzung zur Verfügung.

  • Wiederverwendbarkeit:
    • Wiederverwendbare Ressourcen sind von verschiedenen Prozessen nacheinander gleichartig benutzbar (z. B. Prozessor).

    • Nicht wiederverwendbare Ressourcen werden durch ihre Nutzung quasi verbraucht oder verändert (z. B. Signale, Nachrichten).

  • Entziehbarkeit:
    • Entziehbare Ressourcen können einem Prozess (vorübergehend) „wegge- nommen“ werden, falls ihr Inhalt (Wert, Zustand) mit vertretbarem Aufwand gerettet und für eine spätere Zuteilung wieder hergestellt wer- den kann (z. B. Prozessor, Speicherbereiche).

    • Nicht entziehbar sind Ressourcen dann, wenn die Sicherung und Wiederherstellung ihres Wertes unmöglich oder nur mit inakzeptabel hohem Aufwand möglich ist (z. B. bei verbrauchbaren Ressourcen, Fest- platten).

  • Exklusivität:

    • Exklusiv nutzbare Ressourcen sind zu einem Zeitpunkt nur durch max. einen Prozess benutzbar (z. B. Prozessor, Drucker), mehrfache Zugriffs- wünsche können nur nacheinander erfolgen.

    • Mehrfach (parallel) nutzbare Ressourcen können gleichzeitig von meh- reren Prozessen benutzt werden (z. B. nur lesbare Speicherbereiche).

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