1 Grundlagen

1.1 Einleitung

1.1.1 Aufgaben eines BS

• Stellt dem Benutzer eine "Erweiterte Maschine" zur Verfügung, d.h. das BS vereinfacht das Programmiermodell der Maschine durch Bereitstellung von Funktionen auf höherem Abstraktionsniveau
• Verwaltung von Ressourcen, d.h. effiziente Unterstützung von Hardware

1.1.2 Geschichte der BS

Frühe Systeme:

Lochkarten und Klinkenfelder (50er Jahre)

Batch Systems (Stapelsysteme):

 

» Resident Monitor

Jobs werden nicht mehr vom Operator geladen, sondern von einem Programm, das mit Kontrollkarten ($JOB, $RUN, $END...) gesteuert wird.

» Offline-Processing

3 Rechner: Lochkarten auf Band übertragen, Berechnung (Eingabe-, System-, Ausgabebänder), Ausgabe von Band auf Drucker. (60er Jahre)

» Spooling (Simultanous Peripheral Operation On Line)

Ein- und Ausgabe wird auf Platte gepuffert, die CPU liest Eingabe (Karten) von und schreibt die Ausgabe auf die Platte.

Multiprogrammed Batch Systems (Mehrprogrammbetrieb):

Aufteilung des Hauptspeichers, so daß mehrere Aufträge im Speicher gehalten werden können. Wenn Auftrag terminiert, lädt BS neuen Auftrag.

Time-Sharing Systems:

Interaktiver Betrieb, Benutzer sind über Terminals mit Rechner verbunden.

PC-Systeme:

Benutzerfreundliche Software, nur auf Singe-User Betrieb ausgelegt

Parallele Systeme:

Eng gekoppelt: mehrere Prozessoren arbeiten auf einem Speicher. Symmetrisch: jeder Prozessor hat BS, BS kommunizieren miteinander, Asymmetrisch: jeder Prozessor hat spezielle Aufgaben, Hauptproz. delegiert Aufgaben auf Hilfsprozessoren.

Verteilte Systeme (Distributed Systems):

Lose gekoppelt: mehrere Prozessoren arbeiten zusammen, jeder hat eigenen Speicher und Systemtakt

Real-Time Systems:

BS garantiert Einhaltung von Zeitcontraints.

1.2 Struktur von Computersystemen

1.2.1 Ein/Ausgabe

» Interrupt

Von Hardware (Signal) oder Software (spezielle Operation: System Call) erzeugte Nachricht an den Prozessor. Dieser unterbricht seine aktuelle Aufgabe und verzweigt zu einer Interruptbehandlungsroutine.

» Trap (Exception)

Durch Fehler (Div. durch 0) oder Anfrage des Benutzers erzeugter Softwareinterrupt.

» Synchrone I/O

Nach dem Start einer I/O-Operation wird dem aufrufenden Prozeß die Kontrolle erst nach Beendigung der Op. übertragen (wait-Anweisung bis zum nächsten Interrupt).

» Asynchrone I/O

Der Prozeß startet die I/O-Operation und erhält sofort die Kontrolle wieder. Der Prozeß fragt mit einem System-Call bei dem Betriebssystem an, ob die I/O-Op. beendet wurde. BS verwaltet die Geräte in einer Device-Status-Tabelle (pro Gerät Typ, Adresse, Status, Liste mit Anfragen).

» Polling

I/O-Devices nach Interruptursprung fragen. Alternative: Interruptvektor (Tabelle mit Behandlungsroutinen).

» DMA (Direct Memory Access)

Gerät kann ohne Benutzung der CPU Daten mit dem Speicher austauschen. Vorteil: weniger Interrupts.

» Memory-Mapped-I/O

Adreßbereiche der Controller sind Speicherfenster im Adreßraum des Hauptspeichers. Zugriff auf diese Speicherbereiche bewirkt Transfer zum Controller.

1.2.2 Speicher

» Speicherhierarchie

 
Register  <->  Cache  <->  Hauptspeicher  <->  Ramdisk  <->  Platte/Diskette  <->  Optische Disk  <->  Bänder

» Cache Konsistenz

Im Cache befindliches Datum und originales Datum müssen übereinstimmen.

» Cache Kohärenz

Datum in zwei Caches (z.B. bei zwei CPUs) muß übereinstimmen.

1.2.3 Hardwareschutz

» User Mode

Speicherschutz ist aktiv, keine privilegierten Befehle (Grenz-, Instr.-, Timerregister setzen, E/A-Befehle, Modusumschaltung, HALT) erlaubt.

» Supervisor Mode (Monitor Mode)

keine Schutzmechanismen aktiv, nur das BS sollte in diesem Modus laufen.

» Timer

Timerregister wird auf best. Wert gesetzt und fortlaufend von der Hardware dekrementiert. Erreicht der Registerwert Null, wird ein Interrupt ausgelöst. Benutzung: Prozeßumschaltung, Ermöglicht das Abbrechen von Prozessen, die sich z.B. in Endlosschleifen befinden.

1.3 BS-Strukturen

1.3.1 Komponenten

1.3.2 Dienste

1.3.3 Strukturen

» Monolithisches System

Betriebssystem ist Sammlung von Prozeduren ohne Modulstruktur (MS-Dos).

» Modulares System

BS besteht aus mehreren, klar abgegrenzten Modulen.

» Schichtenmodell

Anordnung der BS-Dienste in einer Hierarchie von Schichten (Layer). Jede Schicht ist ein abstraktes Objekt mit gekapselten Datenstrukturen und benutzt nur die Dienste der darunterliegenden Schicht.
+ einfacher Entwurf, Wartung, Erweiterung, Debugging
- adäquate Definition der Schichten schwierig (welche Schicht liegt über welcher)
- geringere Effizienz durch mehrfachen Aufruf von Diensten der nächst unteren Schicht.
Beispiel: THE: Benutzerprogramme  <->  I/O Puffer  <->  Treiber für Konsole  <->  Speicherveraltung  <->  CPU Scheduling  <->  Hardware

» Virtuelle Maschinen

Simuliert für den Benutzer eine gesamte Maschine mit eigener Hardware (Speicher...) und eigenem BS/Kernel mit den Eigenschaften einer realen Maschine. Benutzung: Emulation anderer Hardware (z.B. MS-Dos/I386 Emulator auf Sun), Entwicklung/Analyse von Betriebssystemen.

» Client/Server-Modell

BS besteht aus minimalem Kern, der lediglich die Kommunikation zwischen Prozessen ermöglicht. Anforderungen werden als Auftrag eines Clientprozesses an einen Serverprozess (Dateisystem, Speicherverwaltung, ...) realisiert.

Last modified: Tue Nov 16 00:18:47 MET 1999 , generated by TOVL