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SS 2007
Version vom 21.03.2007
Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 2
Organisation
Leitung: H. WeberPraktikum: Abdellaoui, Adrian, Debusmann,
Schäfer, Weber
Vorlesung:Do, 7.45 - 10.15 (3 Stunden V, inkl. Pause)
Praktikumsgruppen : 3-stündig
PL/SL : Klausur am Semesterende
Praktikum: 2 bewertete (live) Aufgaben (je 40 %) undweitere 5 Aufgaben (je 2%), mündlicher Anteil (5%), Praktikumsordner (5%)
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Literatur I
R. Brause, Betriebssysteme – Grundlagen und Konzepte, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2001A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. Auflage, Pearson-Verlag 2002C. Vogt, Betriebssysteme, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001J. Nehmer, P. Sturm, Systemsoftware –Grundlagen moderner Betriebssysteme, dpunkt-Verlag, Heidelberg 1998A. Silberschatz, P. Gavin, G. Gagne, AppliedOperating Systems Concepts, John Wiley&Sons, New York 2000
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Literatur II
W. Stallings, Operating Systems, Prentice Hall, New Jersey 1998
G. Nutt, Operating Systems, Addison-Wesley, Reading 2000
L. Bic, A. Shaw, Betriebssysteme, Hanser-Verlag, 1988
E. Glatz, Betriebssysteme Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung, dpunkt-Verlag, 2005
R.A. Finkel, An Operating Systems Vade Mecum,Prentice Hall – bei uns als PDF-File vorhanden
H. Weber, Praktische Systemprogrammierung, Vieweg, Wiesbaden 1998
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Inhalt der Vorlesung
ÜbersichtProzesseProzeßsynchronisationSpeicherverwaltungDateiverwaltungEin- und AusgabeverwaltungVerteilte Systeme
Übersicht
Kap. 1
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Kap. 1 - Inhalt
Einleitung: Was ist ein BetriebssystemBetriebssystemschichtenSchnittstellen und virtuelle MaschinenGeschichteAufbau von BetriebssystemenRechnerarchitekturenWichtige Konzepte
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Betriebssystem-Zoo
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Einleitung I
Was ist ein Betriebssystem ?
* die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten
* die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist
* virtuelle Maschine, die dem Benutzer Abstraktionen der Hardware zur Verfügung stellt, die wesentlich einfacher zu benutzen sind
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Einleitung II
Definition (Betriebssystem):
Ein Betriebssystem ist ein Programmsystem, das alle Betriebsmittel eines Rechensystems verwaltet und ihre Zuteilung kontrolliert und den Nutzern des Rechensystems eine virtuelle Maschine offeriert, die einfacher zu verstehen und zu programmieren ist als die unterlagerte Hardware.
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benutzt
benutzt
benutzt
Benutzer
Benutzerprogramm
Maschinenhardware
Betriebssystem
Betriebssystemschichten I
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Betriebssystemschichten II
User 1 User 2 User 3Compiler Editor ... Spiele
BetriebssystemdiensteHardware HW
Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell
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Betriebssystemschichten III
Systemsoftware versus Anwendersoftware
Das Betriebssystem ist der Teil der Software, die normalerweise im Kernmodus oder Supervisormodus ausgeführt wird
Die Anwendungsprogramme (Compiler, Editor, E-Mail-Programm etc.) werden im Benutzermodus ausgeführt
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Schnittstellen & virt. Maschinen ISCSI-Operationen fur Festplatten:
FORMAT UNIT RECOVER DATA VERIFYINQUIRY RECOVER ID WRITEMODE SELECT RELEASE UNIT WRITE AND VERIFYMODE SENSE REQUEST SENSE WRITE BUFFERNO OPERATION RESERVE UNIT WRITE EXTENDEDPRIORITY RESERVE REZERO UNIT WRITE LONGREAD SEEK WRITE SAMEREAD BUFFER SEEK EXTENDED .....READ CAPACITY SEND DIAGNOSTICREAD DEFECT DATA SET LIMITSREAD EXTENDED START/STOP UNITREAD LONG TEST UNIT READYREASSIGN BLOCKSRECEIVE DIAGN. RESULTS
Wer will schon mit dieser Schnittstelle Informationenlangfristig speichern und zugreifen wollen ?!?
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Schnittstellen & virt. Maschinen II
Eine SchnittstelleSchnittstelle besteht aus
Daten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte)
Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle)
Die ImplementierungImplementierung benötigt dazuDaten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle).
Virtuelle Maschinen
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Schnittstellen & virt. Maschinen III
Schicht 3
Zeit
Schicht 2
Schicht 1
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Schnittstellen & virt. Maschinen IV – Virt. CPU
Software-Hardware-Migration durch virtuelle CPU
Programm in Java-Code Programm in Java-CodeJava-Code / Maschinencode Microcode-
CPU- Hardware und CPU-Hardware
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Schnittstellen & virtuelle Maschinen V - virtuelle logische, physikalische Geräte
Beispiel: Festplattenspeicher
virtuelles Gerät
= logisches Gerät +Verwaltungstreiber
logisches Gerät
= physikalisches Gerät + HW-Treiber.
Kontrolle Daten
Virtuelles Gerät
log. Gerät 1 log. Gerät 2
phys.Gerät 1
Treiber 1
phys.Gerät 2
Treiber 2
Treiber für log. Geräte
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Geschichte I
Gliederung (parallel zu Rechnergenerationen):
1. Generation (1945-1955): Röhren und Steckkarten
2. Generation (1955-1965): Transistoren und Stapelverarbeitung
3. Generation (1965-1980): ICs und Mehrprogrammbetrieb
4. Generation (1980-1990): Personal Computer und Netzwerkbetriebssysteme
5. Heute
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Geschichte II
1. Generation (1945-1955):USA: H. Aiken (Harvard), J. v. Neumann (Princeton) u.a.
Deutschland: Konrad Zuse
Eine Gruppe von Personen kümmert sich um Entwurf, Bau,
Programmierung, Operating und Wartung jedes einzelnen
Rechners.
Programmierung durch Verdrahtung von Steckkarten oder in absoluter Maschinensprache (Programmiersprachen unbekannt).
Nutzung fur numerische Berechnungen.
Ab Anfang der 50er Jahre Benutzung von Lochkarten.
Betriebssysteme unbekannt.
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Geschichte III
2. Generation (1955-1965):Nach Einfuhrung von Transistoren werden Rechner zuverlässig genug, um an Kunden verkauft zu werden.Unterscheidung zwischen Entwicklern, Herstellern, Operateuren, Programmierern und Wartungspersonal.Zunächst Ausfuhrung einzelner Jobs in Form von Lochkartenstapeln mit hohem Anteil manueller Arbeiten.Rationalisierung des Operating durch Einfuhrung des Stapelbetriebs (Batch-System):
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Geschichte IV
-
Batch-System– bringt Kartenstapel zur 1401– kopiert Karten auf Band– bringt Eingabeband auf 7094, die Berechnung ausführt– bringt Ausgabeband zur 1401, die den Output ausdruckt
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Geschichte V
Die Steuerkarten waren Vorläufer der heutigen Kommandosprachen, die Monitore Vorläufer der heutigen Betriebssysteme
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Geschichte VI
3. Generation (1965-1980):ICs und Multiprogramming
Timesharing-Betrieb
Zugriff über Terminals
Multics
UNIX
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Geschichte VII
4. Generation (1980-1990): Personal Computer als Individuen zugeordnete Werkzeuge (= Workstation).Netzwerke zur Kommunikation und Kooperation.getrieben durch LSI und VLSI- Entwicklung, preiswert, aber leistungsstark wie Minirechner bzw. Großrechner.hohe Graphikfähigkeit führt zu benutzerfreundlichen OberflächenMarktdominierende Betriebssysteme: MS- DOS und UNIX.Netzwerkbetriebssysteme erlauben Zugang zu anderen Rechnern, Dateitransfer, gemeinsame Benutzung von Informationen (z. B. TCP/ IP Netzwerk Utilities, Novell Netware, Network File System)
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Geschichte VIII
5. Heute: Neue Anwendungen gekennzeichnet durch:
steigende Komplexität und neue geforderte Funktionalitäten:Verteiltheit (Client/ Server),Offenheit,Heterogenität,Skalierbarkeit"Cooperative Computing"Sicherheit (Security)RealzeitfähigkeitFehlertoleranz / RobustheitMultimediaWWW- Anbindung
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Geschichte IX
Aktuelle Entwicklungsrichtungen:
Verteilte Betriebssysteme
Multiprozessing
Standardisierung von Schnittstellen
Mehrere BS-Schnittstellen auf einem Rechner
Konfigurierbarkeit
Realzeitfähigkeit
Administration grosser Netzwerke
Multimediaunterstützung
Erhöhung der Sicherheit
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Geschichte X - Fragen
Gestern:Welche Betriebssysteme haben Sie benutzt?
...
Heute:Welche Betriebssysteme benutzen Sie ?
...
Welche Systeme sind nützlich für diese LV?
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Aufbau I - Unterschiedliche Arten von BSn
Mainframe-Betriebssysteme
Server-Betriebssysteme
Multiprozessor-Betriebssysteme
PC Betriebssysteme
Echtzeit-Betriebssysteme
Betriebssysteme für eingebettete Systeme
Betriebssysteme für Chipkarten
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Aufbau II - Betriebssystemgliederung
Benutzerschnittstelletextuelle und graphische Interaktion mit dem Benutzer
Dienstprogramme, Werkzeugeoft benutzte Programme wie Editor, Linker, ...
ÜbersetzungsprogrammeInterpreter, Compiler, Translator, ..
OrganisationsprogrammeSpeicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung
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Aufbau III - Benutzerschnittstelle
Ein Blick auf die Benutzerschnittstelle:
1. Benutzeroberfläche (Kommandointerpreter, Grafische Oberflächen) einschließlich der Schnittstellen zu Dienstprogrammen (Tools) wie etwas Editoren, Übersetzer (Compiler), Binder (Linker), ...
2. Bibliotheksschnittstellen (Standardbibliotheken und spezielle Bibliotheken), zur Programmierung benutzt.3. Betriebssystemdienst-Schnittstelle enthält Systemaufrufe (system calls), d.h. „erweiterte Befehle“ = Operationen zum Umgang mit den Abstraktionen, die der Kern offeriert. Wesentliche Kernabstraktionen: Prozesse (processes) = Programme in Ausführung, damit verbunden Mechanismen zur Prozess-Synchronisation und –KommunikationDateien (files) , damit verbunden Dateisysteme (file systems) und Verzeichnisse (directories) IO-Geräte (devices)
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Aufbau IV - Typischer Betriebssystemaufbau
Systemaufruf
Maschinencode
BenutzeroberflächeUser Interface Management System
BetriebssystemkernOperating System Kernel
Hardware
Anwen-dung 1
Dienst-programm
Werk-zeug…
Benutzer 1 … Benutzer N
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Aufruf mittels Traps(Falltüren)
Aufbau V - Der Betriebssystemkern
EingangAusgang
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Aufbau VI - Systemaufrufe: Traps und Interrupts
Synchrone, indirekte Methodenaufrufe (Traps)...Move A,R1 Tabelle von Interruptvektoren
Trap 7Move R1, A...
Adresse PC der ISR 6Adr 0012
Status PS der ISR 6Adr 0013
Adresse PC der ISR 7Adr 0014
Status PS der ISR 7Adr 0015
Adresse PC der ISR 8Adr 0016
Status PS der ISR 8Adr 0017
Asynchrones HW-Interrupt-Signal 7
ISR = Interrupt Service Routines = TreiberPS = Processor Status Word (prio, mode,..)
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Aufbau VII - Aufruf des Betriebssystemkerns
Interrupt{PC+1, PS=user mode}→stack return from interrupt
BS →PC, kernel mode →PS stack→{PC, PS=user mode}
Programm-instruktionen
Programm-instruktionen
Betriebssystem-kerndienste
Umschaltung vom Usermodus in Kernmodus und zurück !!
BS : Bootstrap
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Aufbau VIII - UNIX-Betriebssystemkern
…
…user mode
kernel mode
Benutzer-Programm 1
System-Programm 1
System-Programm 2
Benutzer-Shell 1
Benutzer-Shell 2
Überprüfbare Schnittstelle und FunktionsverteilungSpeicher-
verwaltung Serielle Ein/Ausgabe Dateisystem Prozess-Dis-play TTY Drucker Maus Platte
Floppy Netz manage-ment
Hardware
MultiMulti--UserUser
MultiMulti--programmingprogramming
Implementierungsunabhängige Schnittstellen:PPortable OOperating SSystem IInterface based on UniXX
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Aufbau IX - UNIX Systemsoftware I
Systemprogramme ar build & maintain archivescat concatenate files→standard outcc compile C programchmod change protection modecp copy fileecho print argumentgrep file search including a patternkill send a signal to a process
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Aufbau X - UNIX Systemsoftware II
ln link a file lp print a filels list files and directoriesmv move a filesh start a user shelltee copy standard in to standard out and
to a filewc word count
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Aufbau XI – Monolitisches System
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Aufbau XII – Geschichtetes System
Struktur des THE Betriebssystems
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Aufbau XIII – Virtuelle Maschinen
Struktur von VM/370 mit CMS
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Aufbau XIV – Client-Server Modell
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Aufbau XV – Client-Server Modell in einem verteilten System
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Aufbau XVI – Bsp.: MACH- Betriebssystemkern
Mach-Kern
Scheduler, Nachrichtenübermittlung, Basic I/O, Speicherobjekte
SpeicherManager
FileManager
TerminalI/O
Benutzer-programm
user modekernel mode
Hardware
MikrokernVorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert austauschbar Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern
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Aufbau XVII – Bsp.: Windows NT - Anforderungen
kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS, ..
zuverlässig und robust
leichte Portierbarkeit
leicht veränderbar und anpassungsfähig
leistungsstark
Geht das überhaupt ?
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Aufbau XVIII – Bsp.: Windows NT - Lösungen
Kompatibilitätpro emuliertes BS ein extra Subsystem (Server), von Kunden(Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (Syscalls) auf.
RobustheitTrennung der Programmablaufumgebungen(virt. Maschinen), kein direkter Hardwarezugrifffehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste,
PortierbarkeitIn C geschriebene Module, auf Hardwaremodell aufsetzend
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Aufbau XIX – Bsp.: Windows NT - Betriebssystemkern
user modekernel mode
SystemdiensteObject
ManagerProcess
ManagerLocal
Proc. CallsMemoryManager
SecurityMonitor
I/OSystem
KernelHardware Abstraction Layer HAL
Hardware
POSIXClient
Win/DOSClient
OS/2Client
Win32Subsys-
tem
POSIXSubsys-
tem
OS/2Subsys-
temLogon
SecuritySubsys-
tem
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Rechnerarchitekturen I
Einprozessorsystem
Massen-speicher
ProgrammeDaten
Prozessor
BS-Kern
Nutzer 1Programm
... Nutzer nProgramm
Hauptspeicher
Bis max. N (~ 16) CPUs erweiterbar. Problem: Speicherzugriff (Systembus)
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Rechnerarchitekturen II
Multiprozessorsystem
Verbindungsnetzwerk„Tanzsaal “
BS-Kern
Nutzer 1Programm
... Nutzer nProgramm
P1 P2 … Pn
Problem: Performance-Einbussen bei häufigen Speicherzugriffen
Arbeitsspeicher
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Rechnerarchitekturen III
Mehrrechnersystem
Verbindungsnetzwerk„Vorzimmer“
BS-Kern
Nutzer 1Programm
P1 … Pn
BS-Kern
Nutzer nProgramm Arbeitsspeicher
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Rechnerarchitektur IV
Rechnernetz
VerbindungsnetzwerkLAN, WAN
P1 … Pn
BS-Kern
Nutzer 1Programm
BS-Kern
Nutzer nProgramm
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Wichtige Konzepte I
Prozesse
Dateien
Systemaufrufe
Shells
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Konzepte II - Prozesse
Prozess-Baum
– A hat zwei Kind-Prozesse B and C erzeugt
– B hat drei Kind-Prozesse D, E, und F erzeugt
Prozeß : Programm in seiner Ausführung
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Konzepte III - Dateissytem
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Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 55
Konzepte IV – Mounten von Dateisystemen
• Vor dem Mounten,Files auf Floppy sind nicht benutzbar
• Nach dem Mounten der Floppy auf b,Files auf Floppy sind Teil der Filehierarchie
Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 56
Konzepte V - Systemaufrufe
Es gibt 11 Schritte beim Ausführen des Systemaufrufs
read (fd, buffer, nbytes)
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Konzepte VII – Systemcalls für File Management
Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 58
Konzepte VII – Directory Management
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Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 59
Konzepte IX - Verschiedene
Betriebssysteme und Grundlagen Verteilter Systeme © H. Weber, FH WiesbadenÜbersicht Folie 60
Konzepte X – UNIX/Windows32 - Systemaufrufe
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Konzepte XI – Eine kleine Shell
while (TRUE) { /* repeat forever */type_prompt( ); /* display prompt */read_command (command, parameters) /* input from terminal */
if (fork() != 0) { /* fork off child process *//* Parent code */
waitpid( -1, &status, 0); /* wait for child to exit */} else {/* Child code */execve (command, parameters, 0); /* execute command */
}}