[PDF] Betriebssysteme 7 févr. 2003 1.

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Betriebssysteme

Prof. Dr. P. P. Spies WS 2002/2003

Stefan Kugele

Technische Universit

¨at M¨unchen

email:kugele@cs.tum.edu

7. Februar 2003

2

Inhaltsverzeichnis

1Einf¨uhrung 5

1.1 Betriebssysteme.......................... 5

1.2 Abriss der Geschichte von Rechen- und Betriebssystemen . . . 5

2 Grundlagen 9

2.1 Einf

¨uhrung der Hardware-Konfigurationen der Programm- und

Datenstrukturen ......................... 9

2.1.1 Die Grundstruktur.................... 9

2.1.2 Funktions-undLeistungserweiterung .......... 11

2.1.3 Ausf

¨uhrungderE/A-Operationen............ 11

2.1.4 Von zentralen zu verteilten Hardware-Konfigurationen 13

2.2 VonProgrammenzuProzessenundDatenobjekten ...... 13

2.2.1 Programm-ModuleundProgramme........... 14

2.3 EinfacheSystememitatomarenProzessen ........... 16

2.3.1 UninterpretierteSysteme................. 17

2.3.2 InterpretierteSysteme .................. 20

2.3.3 StarkdeterminierteSysteme............... 23

2.3.4 SerialisierbareBerechnungen............... 26

2.3.5 WesentlichedeterminierteSysteme ........... 28

2.4 SystememitsequentiellenProzessen............... 30

2.4.1 Von Systemen mit atomaren Prozessen zu Systemen

mitsequentiellenProzessen ............... 31

2.4.2 SystememitFX-BM:Deadlock-Probleme........ 34

2.5 Realisierung der einfachen nebenl

¨aufigen Systeme mit zentra-

lerHardwarekonfiguration .................... 38

3 Datenobjekte und Datenobjekt-Management 39

3.1 Virtuelle Adress- und Speicherr

¨aume .............. 40

3.1.1 Grundlagen........................ 40

3.1.2 SeitenbasierteRealisierungvonSegmenten....... 42

3.2 DateienundDateisysteme .................... 48

3

4INHALTSVERZEICHNIS

3.2.1 Byte-Folge-DateienalspersistenteDatenobjekte.... 49

3.2.2 Dateisysteme ....................... 50

3.2.3 KonsistenzderDateien.................. 51

4 Prozesse und Prozessmanagement 53

4.1 ProzessealsaktiveSystemkomponenten............. 53

4.2 Prozess-undKernberechnungen................. 56

Kapitel 1

Einf

¨uhrung

1.1 Betriebssysteme

Rechensysteme sindtechnische Systememit F¨ahigkeiten zurSpeicherungund Verarbeitungvon Daten. Das Management eines Rechensystems und das ge- eignete Einsetzen von Hilfsmitteln (Ressourcen Management) ist Aufgabe einesBetriebssystems. Dies wird durch geeignetes Einsetzen von Ressourcen erreicht. Wir unter- scheiden zwischen passivenDatenobjekteund aktiven, sequentiellen Prozes- sen, den sogenanntenRechenobjekte. Ziele sind die Planung, Steuerung, Kontrolle und Koordination von Berech- nungen, die sich folgendermaßen charakterisieren lassen: •sequentiell: Ausf¨uhren von sequentiellen Programmen

•Kombination davon:

-unabh¨angig, also ohne Wechselwirkung?nebenl¨aufige Systeme -zul¨assige Abh¨angigkeiten: Hierbei werden Wechselwirkungen tole- riert und gezielt genutzt?Kooperation von Prozessen

1.2 Abriss der Geschichte von Rechen- und

Betriebssystemen

Die geschichtliche Entwicklung von Rechen- und Betriebssystemen soll nun im Folgenden an Hand von f ¨unf Phasen geschehen: Von den Anf¨angen der programmgesteuerten Rechensystemen in den 40er Jahren des vergangenen

Jahrhunderts bis zu heutigen Systemen.

5

6KAPITEL 1. EINF¨UHRUNG

1. Phase: Die Anf

¨ange: 1940 - 1955

Anf

¨ange von programmgesteuerten Rechensysteme

-ein Benutzer -keine Software -sehr leistungsschwach -Nutzung durch Spezialisten f¨ur die jeweilige Anwendung, Pro- grammierung und Bedienung der Maschine Zum Beispiel, dieZ22, eine Maschine mit analytischem Befehlscode. Dies sind Elementaroperationen mit sehr vielen Kombinationen, falls diese konfliktfrei sind. Durch Interpretation der Bitstellen kommt man zu den gew

¨unschten Effekten.

Dieses Vorgehen war sehr m

¨uhsam, ist aber als Grundlage sehr wichtig.

2. Phase: 1955 - 1965

-Fortschritte der Hardware-Technik -Anf¨ange von Programmiersprachen (Hauptprogramme, Unterpro- gramme),¨Ubersetzer, Binder, Lader,Automatisierung der Hand- habung f ¨ur elementaren Stapelbetrieb (Lochkartenstapel) mit Dru- ckerlisten als Ausgabe?Monitor als elementare Betriebssysteme

3. Phase: 1965 - 1980

Leistungssteigerung durch:

-verbesserte Technik (Hardware und Software) -verbesserte Organisation Gravierender Mangel: Diskrepanz der Verarbeitungszeiten f¨ur interne Operationen und Ein-/Ausgabe-Operationen (EA-Operationen) L ¨osung durch Mehrprogrammbetrieb und dann Nutzung. Die Benutzer arbeiten wieder direkt an den Rechnern ?ausgereifter Mehrprogrammbetrieb einschließlich interaktiver Arbeit der Nenutzer. Dies geschieht durch verbesserte Techniken und insbesondere Lang- zeitspeicher (≡Dateisystem).

Verbesserte organisation f

¨uhrt zu Betriebssysteme, die effizienten Mehr- programmbetrieb realisieren.

Systeme:

1.2. ABRISS DER GESCHICHTE VON RECHEN- UND BETRIEBSSYSTEMEN7

-CTSS (computing time-sharing system) mit relativ einfachen Tech- niken -MULTICS, wesentlich f¨ur alle Teilnehmersysteme -UNIX-Basis -Vernetzung mit elementaren Mitteln ARPA-Netz, Anf¨ange des In- ternets mit rudiment

¨aren technischen Mitteln

4. Phase: 1980 - heute

Wesentliche Fortschritte im Bereich

-der Hardware-Technik:

Mainframe (Großrechner)

PC"s und Workstations

wesentliche Verbesserung im Preis-Leistungs-Verh

¨altnis

-Bereich der Nachrichtennetze?Internet -Software-Techniken ?Programmier- und Programmentwicklung mit entsprechenden

Hilfsmitteln

?Datenbanken und Fatenbank-Systeme Durch Kombination kommen wir zu verteilten Systemen, das sind r ¨aumlich und geographisch verteilte, kooperative Informationsver- arbeitungs-Systeme als universelle Hilfsmittel. Bis jetzt konnten verteilte Systeme erreicht werden, doch fehlt es an der notwendi- gen integration.

8KAPITEL 1. EINF¨UHRUNG

Kapitel 2

Grundlagen

2.1 Einf¨uhrung der Hardware-Konfigurationen

der Programm- und Datenstrukturen

2.1.1 Die Grundstruktur

Grundlegende Eigenschaften - von der Technik abgesehen - in der 1. Phase.

Von Neumann Konzept

1

Rechenwerk

LeitwerkAusgabewerkEingabewerk

Speicherwerk

Abbildung 2.1: von Neumann Konzept

•Programmgesteuerte Berechnung mit den erforderlichen Hilfsmitteln •Zentral: das Leitwerk steuert und kontrolliert alles

•Sequentielle Berechnungen

1 Neumann, John von(1903-1957), eigentlich J´anos von Neumann, amerikanischer

Mathematiker ungarischer Herkunft.

9

10KAPITEL 2. GRUNDLAGEN

Einfache Erweiterungen insbesonderemit Modularisierung und Funktionszu- ordnung

Dies war die Grundlage f

¨ur Erweiterungen f¨ur die n¨achsten 30 Jahre. CPU EA

Bus für dieuniforme

ZusammenarbeitEA

Speicher

Abbildung 2.2: Systembus

Zu den Erweiterungen z

¨ahlen:

(a) Speicherf

¨ahigkeit

Ausstattung einer Konfiguration mit einer Speicherhierarchie →CPU mit Registern: Erweiterung durch einen Zwischenspeicher/-

Cache, der durch Hardware verwaltet wird

→Arbeits-/ Hauptspeicher: Arbeitsspeicher mit wachsender Kapa- zit

¨at und abnehmender Lese-/ Schreibzeit

f

¨ur die CPU direkt verf¨ugbar

→Hintergrundspeicher: wachsende Kapazit¨at, wachsende Zugriffs-

Lese-/ Schreibzeiten

→Zugreifbare Einheiten: -f¨ur Haupt- und Zwischenspeicher: Bytes und W¨orter mit ei- nigen Bytes -f¨ur Hintergrundspeicher: Bl¨ocke ( 1 2 kbis8k) ?Entsprechende Zugriffs-/ Lese-/ Schreibzeiten

In dieser Speicherhierarchie gibt es zus

¨atzlich Langzeit- und Archivspei-

cher, die durch notorische Speicher realisiert werden.?lange Ausf¨uh- rungszeit

2.1. EINF¨UHRUNG DER HARDWARE-KONFIGURATIONEN DER PROGRAMM- UND DATEN

t

Mit Beteiligung der

EA-Komponenten

1 Befehl

CPU- gesteuert

Abbildung 2.3: Ablauf-Zeitdiagramm

(b) E/A-F

¨ahigkeiten

Vielf ¨alltigere leistungsf¨ahigere Nutzung insbesondere mit Grafik-F¨ahig- keiten. (c) Rechen- und Verarbeitungsf

¨ahigkeiten:

→Bessere Organisation

2.1.2 Funktions- und Leistungserweiterung

Erweiterungen, die wesentliche, unterschiedlichen Techniken nutzen: •Interne Rechenoperationen: Elektronisch realisiert?kurze Ausf¨uh- rungszeiten •Ein- und Ausgabeoperationen: elektromechanische realisiert?lange Ausf

¨uhrungszeiten

2.1.3 Ausf¨uhrung der E/A-Operationen

•1. Art der Ausf¨uhrung:

Programmiertes E/A: vollst

¨andig gesteuert und kontrolliert von der

CPU mit einer Aufteilung in: -CPU-Anteile: Hierbei ist dasCPU-Warten(busy waiting) wes- tentlich. -EA-Werk-Anteil

•2. Art der Ausf¨uhrung:

Aufteilung von Steuerung und Kontrolle auf CPU und EA unterbrechungsgesteuerte EA Ausf

¨uhrungsschema

12KAPITEL 2. GRUNDLAGEN

CPU

Initialisierungs-

phase

Terminierungs-

phase

EA-Controller

Abbildung 2.4: Ablauf-Zeitdiagramm

•Beauftragung des EA-Controllers einschließlich der¨Ubergabe der Pa- rameter: EA-Ger

¨at, EA-Adresse, [Nachrichten]

•Beitrag des EA-Controllers

-Steuerung der EA-Schnittstelle mit dem EA-Ger¨at -Erzeugung und¨Ubergabe der Fertigmeldung an die CPU als Un- terbrechungssignal an die CPU

•Initialbeitrag

¨Uberpr¨ufung des Ausf¨uhrungsergebnisses: Terminalbeitrag ?Entlastung der CPU?die CPU kann in der Entlastungsphase weitere

Berechnungen ausf

¨uhren.

Wesentlich f

¨ur die Effizienz:

Anzahl der mit einem EA-Befehl transportierten Elementarnachrichten / Bytes

•Ein Byte (einige wenige)

•Byte-Folgen mit jeweils festlegbarer L¨ange dazu: Nachrichten im Arbeitsspeicher ?Konkurenzkonflikte bei Zugriffen zum Arbeisspeicher. Dies wird da- durch aufgel ¨ost, indem der EA-Controller Priorit¨at vor der CPU hat.

Erstes, einfaches Beispiel f

¨ur Nebenl¨aufigkeit

hier: zur Effizienzsteigerung einfache Verh

¨altnisse≡klar abgegrenzte Bereiche

≡keine Intereferenzen

Verallgemeinerungen erfordern:

•genaue Analysen der Interferenzbereiche

•systematische Grenzkontrollen

2.2. VON PROGRAMMEN ZU PROZESSEN UND DATENOBJEKTEN13

Momentaufnahme des

Zustandsraumes eines

Prozesses

Verallgemeinerung auf

Abbildung 2.5: Momentaufnahme des Zustandsraumes

2.1.4 Von zentralen zu verteilten Hardware-Konfigu-

rationen •zentrale Hardware Konfiguration (physikalisch/r¨aumlich) •sequentiell≡lineare Folge von Berechnungsschritten

Konzentration auf die Berechnungswirkung f

¨ur einen Zeitpunkt: Zu-

stand

Konzentration auf die Berechnungswirkung f

¨ur eine Folge: Zustands-

folge

Verallgemeinerung f

¨ur Nebenl¨aufigkeit Bei diesem¨Ubergang sind zwei Schrit- te notwendig: •Verteilung der EA-Ger¨ate / Endger¨ate≡Endger¨ate bei den Benuter- arbeitspl ¨atzen?Nachrichten¨ubertragung mit geeigneten Techniken.

Das System bleibt bez

¨uglich Berechnungen im Wesentlichenzentral

•Verteilung der Rechenf¨ahigkeiten zu den Benutzerarbeitspl¨atzen

Nachrichten

¨ubertragungstechniken:

?vernetzte Systeme ?Basis f¨ur verteilte Berechnungen

Es sind jedoch noch die Integration und Nutzung f

¨ur verteilte

kooperative Probleml

¨osungen zu leisten.

2.2 Von Programmen zu Prozessen und Da-

tenobjekten

Komponenten nebenl¨aufiger Systeme:

•Prozesse≡rechenf¨ahige Objekte

14KAPITEL 2. GRUNDLAGEN

•Datenobjekte≡speicherf¨ahige Objekte

•Prozess≡Programm in Ausf¨uhrung

Ein sequentielles Programm mit den zugeh

¨orenden Datenobjekten als Basis

f

¨ur die Einf¨uhrung von Prozessen.

F

¨ur Programme:

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