Modul: B-BS Betriebssysteme WS 2012/13 Prof. Dr. Rüdiger Brause Adaptive Systemarchitektur Institut...

Modul: B-BSBetriebssystemeWS 2012/13

Prof. Dr. Rüdiger BrauseAdaptive SystemarchitekturInstitut für InformatikFachbereich Informatik und Mathematik (12)

Betriebssysteme -

Übersicht

© R.Brause, J.W.G-Universität Frankfurt a.M. Folie 2Betriebssysteme: Übersicht

Organisation Vorlesung

DozentProf. Dr. Rüdiger Brause, Raum 104aEmail: [email protected]

VorlesungDi 10.15-11.45 SR 11 Do 10.15-11.45 SR 11

Leistungsschein Bachelor: rechtzeitig anmelden!

Möchten mehr als 3 Teilnehmer die Modulprüfung (Schein) absolvieren, so findet eine Klausur (100% = 120 Pkt.) statt; andernfalls eine mündliche Prüfung.

Die Übungspunkte (normiert zu max.10% der Klausurpunkte) werden zu den Klausurpunkten addiert

Mindestens 40% der 100% Klausurpunkte müssen erreicht werden.


Organisation Übungen

Tutor: Kevin Tschickart Do. 12.00-13.30 SR 11Email: [email protected]

Abgaben

Ausgabe Donnerstags, Abgabe eine Woche später

Abgabe Lösungen (Dokumentation+Code) per email

Abgabe Lösungen ausgedruckt an Tutor

Bei Recherchen sind Quellen zu nennen (URL, Screenshot,…).

Es dürfen Aufgaben in der Gruppe besprochen werden. Die Abgabe zur Übung muss aber für jede (Teil-)Aufgabe eine

erkennbare Eigenleistung (mit eigenen Worten aufgeschrieben bzw. selbstständig programmiert) enthalten

Das mehrfache Abgeben der gleichen Lösung bzw. des gleichen Quellcodes wird durch die Vergabe von 0 Punkten für alle betreffenden Abgaben gewertet!

Für die Anrechnung der Bonuspunkte zur Klausur: Zweimal an der Tafel vorrechnen.


Einführung

Motivation Wozu diese Vorlesung?

„Der Windows-PC ist eine fremdbestimmte Maschine. Was sich auf dem Desktop und in allen nur denkbaren Ecken des Betriebssystems tummelt, hat sich größtenteils selbst installiert.

Die lästigen Parasiten zehren an Prozessorleistung und Speicher, und sie nehmen gegen unseren Willen Kontakt mit den Herstellern auf. Welche Daten sie sammeln und übertragen, weiß man nicht.

Die verschiedenen „Dienste“ sind so verzahnt, dass kein Laie hier seine eigene Ordnung schaffen und aufräumen könnte.

Obwohl wir unsere Hardware und unsere Software selbst bezahlen, haben wir die Kontrolle verloren.“

FAZ, 10.2.2004


Einführung

Wozu diese Vorlesung ?

Verständnis für interne Rechnervorgänge Was geht da vor? Wie kann ich eingreifen? Welche Fehler können passieren? Womit muss ich in kleinen Systemen (eingebettete

Systeme) rechnen?

Verbesserung + Ergänzung eines Betriebssystems Eigene Treiber für Spezialhardware Datenbankanbindungen, neue Linux-Module

Entwurf eines eigenen Betriebssystems Design von neuen Mikrosystemen, etwa auf

Scheckkartenchips Design von Forschungssystemen, etwa mobile

Schwärme


SCHNITTSTELLENVIRTUELLE MASCHINEN

SYSTEMAUFRUFE

SCHICHTENMODELL


Einführung

Was ist ein Betriebssystem ?? „Die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines

Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist.“

? „Die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten.“

? „Diejenigen Programme eines digitalen Rechnersystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen (DIN 44300).“

? „Zusammenfassende Bezeichnung für alle Programme, die die Ausführung der Benutzerprogramme, die Verteilung der Betriebsmittel auf die einzelnen Benutzerprogramme und die Aufrechterhaltung der Betriebsart steuern und überwachen (DUDEN).“


Betriebssystemgliederung

Benutzerschnittstelletextuelle und graphische Interaktion mit dem Benutzer

Dienstprogramme, Werkzeugeoft benutzte Programme wie Editor, Linker, ...

ÜbersetzungsprogrammeInterpreter, Compiler, Translator, ..

SystemprogrammeSpeicher-, Prozessor-, Geräte-, Netzverwaltung


UNIX Systemsoftware

Systemprogramme „Einheiten“, „Bausteine“.

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 processln link a file lp printe 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


benutzt

benutzt

benutzt

Benutzer

Benutzerprogramm

Maschinenhardware

Betriebssystem

Benutzungsrelationen


Betriebssystemschichten

User 1 User 2 User 3

Compiler Editor ... Spiele

Betriebssystemdienste

Hardware

HW

Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell


Typischer Betriebssystemaufbau

Systemaufruf

Maschinencode

BenutzeroberflächeUser Interface Management System

BetriebssystemkernOperating System Kernel

Hardware

Anwen-dung 1

Dienst-programm

Werk-zeug

¼

Benutzer 1 ¼ Benutzer N


UNIX-Betriebssystemkern

¼

¼user modekernel mode

Benutzer-Programm 1

System-Programm 1

System-Programm 2

Benutzer-

Shell 1

Benutzer-

Shell 2

Überprüfbare Schnittstelle und FunktionsverteilungSpeicher-verwaltung

Serielle Ein/Ausgabe DateisystemProzess-

Dis-play

TTY Drucker MausPlatteFloppy

Netzmanage-

ment

Hardware

Multi-User

Multi-programming

Implementierungsunabhängige Schnittstellen:POSIX = Portable Operating System Interface based on UniX

Benutzungs-oberfläche


MACH- Betriebssystemkern

Mach-Kern

Scheduler, Nachrichtenübermittlung, Basic I/O, Speicherobjekte

SpeicherManager

FileManager

TerminalI/O

Benutzer-programm

user modekernel mode

Hardware

Mikrokern Vorteile: minimaler Kern, alle Funktionen modularisiert austauschbar

Nachteile: Kommunikationsdauer zwischen Managern

© R.Brause, J.W.G-Universität Frankfurt a.M. Folie 15

Android-Betriebssystem

Betriebssysteme: Übersicht


Windows NT - Anforderungen

kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS, ..

zuverlässig und robust

leicht übertragbar auf andere CPUs (Portierbarkeit)

leicht veränderbar und anpassungsfähig

leistungsstark

Geht das überhaupt ?


Windows NT - Betriebssystemkern

user modekernel mode

SystemdiensteObject

ManagerProcessManager

LocalProc. Calls

MemoryManager

SecurityMonitor

I/OSystem

Kernel

Hardware Abstraction Layer HALHardware

Win/DOSClient

Win32Subsys-

tem

POSIXClient

POSIXSubsys-

tem

OS/2Client

OS/2Subsys-

temLogon

SecuritySubsys-

tem

Win NT 3.1, Win NT4.0, Windows 2000, Windows XP, Vista, Win7, Win8, Version 3.1 4.0 5.0 5.1 6.0 6.1 6.2 Codezeilen: 8 Mio. 40 Mio. ? ?

Idee: Zwischenschichten (Subsysteme) einführen

Single User


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 HAL aufsetzend


Frage

Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen den Betriebssystemkernen von Mach, Unix (Linux) und Windows NT?

Unix: Multi User-System, schwerer Kern Windows NT: Single User-System, schwerer Kern Mach: leichter Kern


BS und Rechnerarchitekturen

Einprozessorsystem PCs, kleine ServerAuch Mehrkernbetrieb

Bis max 16 CPU erweiterbar.

Problem: Speicherzugriff (Systembus)

Massen-speicher

ProgrammeDaten

BS- Kern

Nutzer 1Programm

... Nutzer nProgramm

Hauptspeicher

Prozessor



Multiprozessorsystem größere Server

Verbindungsnetzwerk „Tanzsaal “

BS- Kern

Nutzer 1Programm

... Nutzer nProgramm

P 1 P2 ¼ Pn

Problem: „hot spots“ im BS



Mehrrechnersystem größere Server

Verbindungsnetzwerk „Vorzimmer“

BS- Kern

Nutzer 1Programm

P1 ¼ Pn

BS- Kern

Nutzer nProgramm



Rechnernetz multiple Rechner, PCs, Server

VerbindungsnetzwerkLAN, WAN

P1 ¼ Pn

BS- Kern

Nutzer 1Programm

BS- Kern

Nutzer nProgramm



SYSTEMAUFRUFE

SCHICHTENMODELL


Systemaufrufe

Systemaufrufe nötig für Dateioperationen, Prozessmanagement, Speicheranforderungen, Netzwerkoperationen, ...

Systemaufrufe – wie? Problem der unbekannten Referenz

Adr 1 BS-Code 1Adr 1‘ BS-Code 1‘

~ ~

Adr 2 Programm 1Adr 3 Programm 2

Hauptspeicher

Absolute Adresse des BS wechselt je nach Version

Relative Adresse des Programms wechselt je nach Ausführung

Lösung: Aufruf mittels Traps (Falltüren)


Aufruf des Betriebssystemkerns

Programm-instruktionen

Programm-instruktionen

Betriebssystem-kerndienste

return from interrupt

stack ® {PC, PS= user mode }

Interrupt

®{PC+1, PS=user mode} stack

BS-Pnt ® PC Kernel mode ® PS

Register laden


Systemaufrufe: Traps und Interrupts

Synchrone, indirekte Methodenaufrufe (Traps)...Move A,R1Trap 7Move R1, A...

0017 PS für ISR 8

0016 Adresse der ISR 8

0015 PS für ISR 7


0013 PS für ISR 6


Asynchrones HW-Interrupt-Signal 6

ISR = Interrupt Service Routines = Treiber

PS = Processor Status Word (prio, mode,..)

Tabelle von Interruptvektoren

Laden von PS und PC

RAM-Adresse


Der Betriebssystemkern

EingangAusgang

Was passiert im Kern?


Fragen

Wozu gibt es System calls? Um ohne Kenntnis der Einsprungadresse des BS die Anwendung zu binden.

Wann braucht man sie nicht? Wenn man alles zu einer einzigen festen Anwendung (Eingebettetes System) binden kann.



SYSTEMAUFRUFE

SCHICHTENMODELL


Schnittstelle : Beispiel

Rechteck zeichnen, Länge dx, Breite dyDrawRectangle(float dx,dy)

Methode: DrawRectangleDaten: float dx,dyProtokoll:

• zuerst Modul „Grafik“ initialisieren• dann Skalierung setzen• dann Bezugspunkt setzen• schließlich Rechteck zeichnen.

benutzt die Methode drawLine mit den Daten x0,y0,x1,y1


Schnittstellen : Verallgemeinerung

Eine Schnittstelle 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 Implementierung benötigt dazu Daten, Funktionen und Protokolle für die

Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle).


Daten

code

Schnittstellen & Abstrakte Datentypen

Abstrakter Datentyp = Zugriff auf Daten nur über definierte Funktionen (Kapselung)

Schnittstelle des ADT = Zugriff + Reihenfolge des Zugriffs = Funktionen + Protokoll

ObjektMethode1(.)

Methode2(.)

Attribut AKapselung

information hiding


Schnittstellen: Export & Import

Beachte: „Export“/ „Import“ ist relativ bzgl. einer Sicht !

Export Import

ExportImport

Modul 1

Modul 2


Virtuelle und abstrakte Maschinen

Zeichne ein RechteckDrawRectangle(x0,y0,x1,y1)

(x0,y0)

(x1,y1)

DrawRectangle(x0,y0,x1,y1)

Graphic Processor Unit

(GPU)

Display(RAM)

DrawRectangle(x0,y0,x1,y1)

V1

DrawLine(x0,y0,x1,y0) DrawLine(x1,y0,x1,y1) DrawLine(x1,y1,x0,y1) DrawLine(x0,y1,x0,y0)

V2

SetPoint(x0,y0,black) SetPoint(x0+dx,y0,black)

…

V3

Display(RAM) V4

Maschine 1 Maschine 2

Abstrakte MaschineVirtuelle Maschine

Beispiel


Abstrakte und Virtuelle Maschinen

Beispiel Waschmaschine

Benutzungsoberfläche

Controller

Maschine

Motor, Druckventile, Temperatursensoren, Heizungen, Pumpen

Abstrakte Maschine:

• nur Zugang geregelt

• Implementation ist verborgen

Schichtenmodell:

Schnittstellen,

virtuelle Maschine


Schicht 2

Virtuelle Maschinen

Schicht 1

Zeit

Schicht 3

Schichtenabstraktion bei Zeitablauf


Beispiel: virtuelle CPU

Software-Hardware-Migration bei virt. CPU

Programm in Java-CodeJava-CodeMaschinencode

CPU- Hardware

Programm in Java-CodeMicrocode-

und CPU-Hardware

Konfiguration 1 Konfiguration 2

VorteileProgramm muss bei HW-Wechsel nicht geändert werden

Unabh. HW-Entwicklung je nach Kundenwunsch


Virtuelle, logische, physikalische Geräte

Beispiel: virtueller Festplattenspeicher (Zwiebelmodell)

logisches Gerät = HW-Treiber,

benutzt physikalisches Gerät

Kontrolle Daten

Virtuelles Gerät

Treiber für log. Geräte

log. Gerät 1 log. Gerät 2

phys.Gerät 1

Treiber 1

phys.Gerät 2

Treiber 2 virtuelles Gerät

= Verwaltungstreiber für multiple Geräte, storage managementbenutzt einzelne logischeGeräte


Frage

Was ist der Unterschied zwischen abstrakten, virtuellen und logischen Maschinen? abstrakte Maschine: durch Schnittstelle

beschriebene Maschinenfunktionen virtuelle Maschine: Zwischenschicht

mit zwei Schnittstellen logische Maschine: wie virtuelle Maschine,

benutzt direkt physikalisches Gerät


Beispiel: Abstrakter backup-Speicher

Disk-to-Disk Storage

tape backup

functions

Block

I/O

Backup-Programm

Disk driverDisk

Tape interface

Tape driver

Sinnvoll für• Kurze Backup-Zeiten • Kurze Recovery-Zeiten• Multiple Bandformate• Hoher Datendurchsatz


Beispiel: Virtueller Massenspeicher

Storage Area Network SAN asym. Poolingnutzt lokalen Massenspeicher LAN

file servermetadata server

Block

I/OOrtsinfo

S A N

Lun 2

NASNetwork Attached Storage


Beispiel: Virtuelle Funktionen im Auto

Probleme• Sehr viele Funktionen und Geräte• Zusammenspiel Kommunikation/Unterhaltung/Steuerung nicht genormt

Lösung: Autosar (AUTomotive Open System ARchitecture )

TelefonNavi-gationVideo

Spiel-konsole

Abstands-system

Diagnose

Virtuelle Funktionen (Softwarebus + Module) RTE

GSMMotor-

elektronik GPS

Hardware-Busse

Aktoren

Sensoren

Vorteil: genormte Entwicklungs- und Testumgebung


Beispiel: Virtualisierung von Servern

Einziehen einer Virtualisierungsschicht – Wo?

OS-ContainerApp1 … AppN

App1 … AppN App1 … AppN BS-Kern

BS-Kern BS-Kern LaufzeitVirtual Machine Monitor VMM HyperVisor Typ2

Virtual Machine Monitor VMM HyperVisor Typ1

Virtual Machine Monitor HyperVisor Typ2

BS-Kern

Hardware Hardware Hardware

Paravirtualisierung Virtualisierung mit OS-container

HW-Virtualisierung

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