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Prof. Dr. Peter Mandl Seite 1 Betriebssysteme

Betriebssysteme

Einfhrung

Sommersemester 2014

Prof. Dr. Peter Mandl

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 2 Betriebssysteme

1. Einfhrung in Betriebssysteme

2. Betriebssystemarchitekturen und Betriebsarten

3. Interruptverarbeitung in Betriebssystemen

4. Prozesse und Threads

5. CPU-Scheduling

6. Synchronisation und Kommunikation

7. Speicherverwaltung

8. Gerte- und Dateiverwaltung

9. Betriebssystemvirtualisierung

Gesamtberblick

Physikalische Gerte

Mikroarchitektur

Maschinensprache

Betriebssystem

Firmware und Hardware

Systemnahe Software (Datenbanken, Compiler, Interpreter,)

Anwendungssoftware (Browser, Bankanwendung, Buchhaltungsanwendung,)

Systemsoftware

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 3 Betriebssysteme

Zielsetzung

Aufbau von Computersysteme kennenlernen Geschichtliche Hintergrnde der

Betriebssystementwicklung verstehen

Grundlegende Aufgaben von Betriebssystemen kennen lernen

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 4 Betriebssysteme

1. Rechnersysteme

2. Betriebssystemarten und Aufgaben von Betriebssystemen

3. Geschichtliches

berblick

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 5 Betriebssysteme

Rechnersysteme

Physikalische Gerte

Mikroarchitektur

Maschinensprache

Betriebssystem

Firmware und Hardware

Systemnahe Software (Datenbanken, Compiler, Interpreter, )

Anwendungssoftware (Browser, Bankanwendung, Buchhaltungsanwendung,)

Systemsoftware

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 6 Betriebssysteme

Rechnerarchitekturen

Von-Neumann-Rechner

- CPU mit Leitwerk und Rechenwerk

- Bussystem (Datenbus, Adressbus und Steuerbus)

- Ein-/Ausgabesystem

- Speicher

- Abgrenzung: Harvard-Architektur

Ein-/Ausgabe

Microprocessor, CPU

Leitwerk

(Steuerwerk)

Rechenwerk

(ALU)

Register

Speicher

Bussystem

Flaschenhals

Befehlsinter- pretation,

Befehlsausfhrung

Datenprozessor

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 7 Betriebssysteme

Rechnerarchitekturen

Von-Neumann-Rechner

Steuer-

Einheit

Arithmetisch

Logische

Einheit (ALU)

Register

Zentrale Recheneinheit (CPU)

Speicher Platte Drucker

BUS

E / A Gerte

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 8 Betriebssysteme

CPU-Register als Schnittstelle fr den

Betriebssystemprogrammierer: Intel 8086

Registersatz mit vierzehn 16-Bit-Registern

AH

BH

CH

DH

AL

DL

CL

BL

SP

BP

DI

SI

AX

BX

CX

DX

Akkumulator CS

DS

ES

SS

IP

SR

Basisregister

Zhlerregister

Datenregister

Stapelzeiger

Basiszeiger

Ziellindex

Quellindex

Allgemeine

Arbeitsregister

Adress- und

Indexregister

Segmentregister

Statusregister (PSW)

Codesegment

Datensegment

Extrasegment

Stacksegment

Befehlszeiger

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/X86-Prozessor

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 9 Betriebssysteme

CPU-Register als Schnittstelle fr den

Betriebssystemprogrammierer: Intel Pentium

Registersatz

- Acht 32-Bit-Register kompatibel zu den Vorgngern EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, EDI, ESI

- Segmentregister CS, DS, ... (wie bei 8086)

- Acht Gleitkommaregister-Register

- Befehlszeiger EIP (IP), ...

EAX

EBX

ECX

EDX

31 15 0

AH

BH

CH

DH

AL

DL

CL

BL

AX

BX

CX

DX

Registerbezeichnungen:

[E]AX: Akkumulator

[E]BX: Basisregister

[E]CX: Zhlregister

[E]DX: Datenregister

Quelle: http://www.chip.de

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 10 Betriebssysteme

CPU-Register als Schnittstelle fr den

Betriebssystemprogrammierer: AMD64 (x64)

Registersatz mit sechzehn 64-Bit-Mehrzweckregistern

- RAX (EAX, AX, AL), RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RDI, RSI

- R8 R15 (ergnzt)

Weitere Register

- Acht 64-Bit-Gleitkommaregister MMX0/FPR0 MMX7/FPR7

- Sechzehn 128-Bit-Mediaregister XMM0 XMM15

- 64-Bit-Statusregister RFLAGS

- 64-Bit-Befehlszeiger RIP (EIP, IP)

- Alte Segmentregister CS, DS, ... (Kompatibilitt)

Quelle: http://www.socket939.co.uk

Prof. Dr. Peter Mandl

Chip

Seite 11 Betriebssysteme

Einschub: Beispielskizze fr Caches im Singleprozessor

Typischer Einsatz von Caches (Speicherhierarchie) in heutigen Computersystemen

Prozessor

L2-Cache

L1-Cache

L3-Cache

Hauptspeicher (RAM)

L1 ist kleiner und schneller als L2

L2 ist kleiner und schneller als L3

L1 und L2 meist auf dem Chip

L3 auerhalb

Prof. Dr. Peter Mandl

Chip

Seite 12 Betriebssysteme

Einschub: Beispielskizze eines Mehrkern-Chips

Zwei Prozessorkerne jeweils mit integriertem L1-Cache , L2/L3-Cache auf dem Chip (Die)

Prozessor 1

L2-Cache L3-Cache

Quelle: Bttcher, A.: Rechneraufbau und Rechnerarchitektur, Springer-Verlag, 2006

L1-Cache

Prozessor 2

L1-Cache

Bus-Interface

Systembus (Front Side Bus)

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 13 Betriebssysteme

Beispiel: Skizze des Intel Core i5

GPU (Grafik-Prozessor)

Kern 1 mit HT

Kern 2 mit HT

Shared L3 Cache

Bussysteme

Die

2 Kerne, L1 und L2 in den Kernen

HT = Hyperthreading

L1/L2 Cache

L1/L2 Cache

Speicher- Controller

PCI

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 14 Betriebssysteme

Vereinfachte Architektur eines Computersystems: Hardwaremodell fr unsere Betrachtung

Speicherbus, FSB

Arbeitsspeicher (RAM)

Anbindung externer Gerte: USB, S-ATA, PCI,

Rechnerkern 1 (CPU)

Cache

Mehrzweck- register

Gleitkomma- register

Status- register

Leitwerk und Steuerwerk

Chipsatz

MMU

TLB

Motherboard

Grafikprozessor

Northbridge

Ein Die

Gemeinsamer Cache

Cache

MMU

Rechner- kern 2

Register

L/S-Werk

Cache

MMU

Rechner- kern n

Register

L/S-Werk

Southbridge Interrupt Controller

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 15 Betriebssysteme

Beispiel: Skizze des Motherboards der Intel Core-i-Serie

Speicherbus DDR3

Intel Core i5/i7/i9 (LGA 1156 Package)

Motherboard P7H55D-M-Pro

von Asus (=Mainboard)

Mehrere Cores auf einem Die DDR-RAM

DDR-RAM

Grafik-Prozessor

Speicherbus DDR3

PCI Express 2.0 x16

Arbeitspeicher

Intel H55 Express Chipset

FDI DMI x 4

Digital Display (HDMI, DVI)

PCI Bus

USB

Serial ATA

PCI-Express x1

Gigabit LAN

DDR = Double Data Rate Verfahren

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 16 Betriebssysteme

Beispiel: Skizze zum Intel Core i7

Sandy-Bridge-Architektur (Micro-Architektur)

Grafik-Prozessor auch auf dem Die

In jedem Kern: L1 (z.B. 64 KB je Kern) und L2 (z.B. 256 KB je Kern)

L3 ist z.B. 1 - 20 MB gro

Grafik- Prozessor

Memory Controller

Gemeinsamer L3 Cache (Shared)

Bussysteme

Ein Die

L1/L2 Cache

Kern

L1/L2 Cache

Kern

L1/L2 Cache

Kern

L1/L2 Cache

Kern

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 17 Betriebssysteme

1. Rechnersysteme

2. Betriebssystemarten und Aufgaben von Betriebssystemen

3. Geschichtliches

berblick

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 18 Betriebssysteme

Arten von Betriebssystemen

Betriebssysteme

Mainframes- BS

Server- BS

PC-Betriebs- systeme

Embedded u. Handheld

BS

Unix Linux Solaris Windows

20xx

High End Systeme

IBM OS/390 IBM z/OS Siemens

BS2000

Smartcard- BS

Linux Windows xx MAC OS X

VxWorks QNX OSEK

Echtzeit- BS

Windows mobile

iOS Android Symbian OS Windows

Phone

Auf Chips von Kreditkarten

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 19 Betriebssysteme

Grundfunktionen des Betriebssystems

Das Betriebssystem soll den Anwender bzw. Anwendungsentwickler von Details der Hardware entlasten

Modern strukturierte Betriebssysteme kapseln den Zugriff auf die Betriebsmittel

- der Zugriff funktioniert also nur ber Betriebssystemfunktionen (Systemdienste)

- Virtuelle Maschine ber der Hardware

Wesentliche Aufgabe des Betriebssystems ist die Betriebsmittelverwaltung

Prof. Dr. Peter Mandl Seite 20 Betriebssysteme

Betriebsmittel (1)

Hard-/Softwareressourcen eines Computersystems werden als Betriebsmittel bezeichnet - Prozesse und Pro