[PDF] Prof. Dr. Christian Baun – 2. Foliensatz Betriebssysteme

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2. Foliensatz

Betriebssysteme

Prof. Dr. Christian Baun

Frankfurt University of Applied Sciences

(1971-2014: Fachhochschule Frankfurt am Main) Fachbereich Informatik und Ingenieurwissenschaften christianbaun@fb2.fra-uas.de

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Lernziele dieses Foliensatzes

Betriebssysteme werden nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert Die wichtigen Unterscheidungskriterien sind Inhalt dieses Foliensatzes Am Ende dieses Foliensatzes kennen/verstehen Sie... den Unterschied zwischenEinzelprogrammbetrieb(Singletasking) und Mehrprogrammbetrieb(Multitasking)den Unterschied zwischenEinzelbenutzerbetrieb(Single-User) und

Minimale Kerne

Hybride Kerne

dasSchalenmodellbzw.SchichtenmodellÜbungsblatt 2 wiederholt die für die Lernziele relevanten Inhalte dieses Foliensatzes

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Einzelprogrammbetrieb und Mehrprogrammbetrieb

Mehrere gestartete Programme werdennacheinanderausgeführtMehrprogrammbetrieb gleichzeitig(bei mehreren

CPUs/Kernen) oderzeitlich

verschachtelt (quasi-parallel)ausgeführt werden

Bildquelle: freertos.org

Task, Prozess, Aufgabe, Auftrag,...

Der BegriffTaskist gleichzusetzen mitProzessoder aus AnwendersichtAufgabebzw.AuftragProf. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 3/31

Warum Mehrprogrammbetrieb (Multitasking)?

Wir wissen...

Gründe sind z.B. Benutzereingaben, Eingabe/Ausgabe-Operationen von E-Mails, erfolgreiche Datenbankoperationen, geschriebene Daten auf der Der Overhead, der bei der quasiparallelen Abarbeitung von Programmen durch die Programmwechsel entsteht,ist im Vergleich

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Einzelbenutzerbetrieb und Mehrbenutzerbetrieb

Einzelbenutzerbetrieb(Single-User)Der Computer steht immer nur einem einzigen Benutzer zur Verfügung

Zugriffe auf Daten/Prozesse anderer Benutzer werden verhindert

Single-UserMulti-User

SingletaskingMS-DOS, Palm OS-

MultitaskingOS/2, Windows 3x/95/98, BeOS,Linux/UNIX, MacOS X, MacOS 8x/9x, AmigaOS, Risc OSWindows NT/2000 Terminal Server

Die Desktop/Workstation-Versionen von Windows

aber die Daten und Prozesse der Benutzer sind voreinander geschützt

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8/16/32/64Bit-Betriebssysteme

Betriebssystem intern arbeitetEin Betriebssystem kann nur so viele Speichereinheiten ansprechen, wie

Bill Gates (1989)

"We will never make a 32-bit operating system."

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für die Einhaltung von ZeitschrankenWesentliche Kriterien von Echtzeitbetriebssystemen:

Reaktionszeit

Prozesse innerhalb gewisser Zeitschranken ausgeführt werden2 Arten von Echtzeitbetriebssystemen existieren:

Harte Echtzeitbetriebssysteme

Weiche Echtzeitbetriebssysteme

Hardwareinterrupts etc. kann aber keinhartes Echtzeitverhalten garantiert werden

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Harte und Weiche Echtzeitbetriebssysteme

Harte Echtzeitbetriebssysteme

Zeitschranken müssen unbedingt eingehalten werden Einsatzbeispiele: Schweißroboter, Reaktorsteuerung, ABS, Flugzeugsteuerung, Überwachungssysteme auf der IntensivstationWeiche Echtzeitbetriebssysteme

Gewisse Toleranzen sind erlaubt

Einsatzbeispiele: Telefonanlage, Parkschein- oder Fahrkartenautomat,

Multimedia-Anwendungen wie Audio/Video on Demand

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Architekturen von Echtzeitbetriebssystemen

Thin-Kernel

=?minimale Reaktionszeiten (Latenzzeiten)Nano-Kernel

Neben dem Echtzeit-Kernel kann eine beliebige

Anzahl anderer Betriebssystem-Kernel laufenPico-Kernel, Femto-Kernel, Atto-Kernel

Marketingbegriffe der Hersteller von

Echtzeitsystemen, um die Winzigkeit ihrer

Echtzeit-Kernel hervorzuheben

Bildquelle: Tim Jones (2008). Anatomy of real-time Linux architectures

http://www.ibm.com/developerworks/library/l-real-time-linux/Prof. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 9/31

Einsatzgebiete von Echtzeitbetriebssystemen

Typische Einsatzgebiete von

Echtzeitbetriebssystemen:Mobiltelefone

Industrielle Kontrollsysteme

Roboter

Beispiele für

Echtzeitbetriebssysteme:QNX

VxWorks

LynxOS

Nucleus

Symbian

Windows CE

Bildquelle: deutschlandfunk.de

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Die QNX Demo Disc von 1999...

Bildquelle:

http://toastytech.com/guis/qnxdemoboot.gifBeeindruckendes Video über die Demo Disc:

https://www.youtube.com/watch?v=K_VlI6IBEJ0Prof. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 11/31

Verteilte Betriebssysteme

Verteiltes System

Steuert die Prozesse auf mehreren Rechner eines Clusters Die einzelnen Rechner bleiben den Benutzern und deren Prozessen transparent verborgenDas System erscheint als ein einzelner großer Rechner Prinzip desSingle System ImageDas Prinzip der verteilten Betriebssysteme ist tot!Aber: Bei der Entwicklung einiger verteilter

Betriebssysteme wurden einige interessante

Technologien entwickelt oder erstmals

angewendetEinige dieser Technologien sind heute noch aktuell

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Verteilte Betriebssysteme (1/3)Quelle: WikipediaAmoeba

Mitte der 1980er Jahre bis Mitte der 1990er Jahre

Die Programmiersprache Python wurde für Amoeba entwickelt http://www.cs.vu.nl/pub/amoeba/

The Amoeba Distributed Operating System.A. S. Tanenbaum, G. J. Sharp.http://www.cs.vu.nl/pub/amoeba/Intro.pdfInferno

Basiert auf dem UNIX-Betriebssystem Plan 9

Bell Laboratories

Anwendungen werden in der Sprache Limbo programmiert Limbo produziert wie Java Bytecode, den eine virtuelle Maschine ausführt

Minimale Anforderungen an die Hardware

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Verteilte Betriebssysteme (2/3)Quelle: WikipediaRainbow Konzept eines gemeinsamen Speichers mit einem für alle Rechner im

Cluster einheitlichen Adressraum, in welchem Objekte abgelegt werdenFür Anwendungen ist es transparent, auf welchem Rechner im Cluster

gewünschte Objekte zugreifenSollte sich das Objekt physisch im Speicher eines entfernten Rechners befinden, sorgt Rainbow automatisch und transparent für eine

Steffen Gerhold, Peter Schulthess. MIPRO 2011Prof. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 14/31

Verteilte Betriebssysteme (3/3)Quelle: WikipediaSprite

University of California, Berkeley (1984-1994)

Verbindet Workstations so, dass Sie für die Benutzer wie eine einzelnes

System mit Dialogbetrieb (Time Sharing) erscheinenpmake, eine parallele Version vonmake, wurde für Sprite entwickelthttp://www.stanford.edu/~ouster/cgi-bin/spriteRetrospective.php

The Sprite Network Operating System. 1988.http://www.research.ibm.com/people/f/fdouglis/papers/sprite.pdfProf. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 15/31

Verteilte Betriebssysteme heute

Das Konzept konnte sich nicht durchsetzen

Verteilte Betriebssysteme kamen nicht aus dem Stadium von

Um Anwendungen für Cluster zu

entwickeln, existieren Bibliotheken, die von PassingbereitstellenKommunikation via Message Passing basiert auf dem Versand von NachrichtenVerbreitete Message Passing Systeme:

Message Passing Interface(MPI)

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und ist die Schnittstelle zur Hardware3 unterschiedliche Kernelarchitekturen existieren Sie unterscheiden sich darin, welche Funktionenim Kernenthalten sind zugreifen (Benutzermodus)=?Foliensatz 5

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Monolithische Kerne (1/3)Bildquelle: WikipediaEnthalten...

Funktionen für Speicherverwaltung

Funktionen für Prozessverwaltung

Funktionen für Prozesskommunikation

Hardware-Treiber

Dateisysteme-Treiber

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Monolithische Kerne (2/3)Bildquelle: WikipediaVorteile: Mikrokernel sind in der Regel nicht stabiler als monolithische Kerne

Nachteile:

werden und das gesamte System nach sich ziehenHoher Entwicklungsaufwand für Erweiterungen am Kern, da dieser bei

jedem Kompilieren komplett neu übersetzt werden muss

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Monolithische Kerne (3/3)Bildquelle:http://www.xml.com/ldd/chapter/book/ch02.html

Hardware- und

Dateisystem-Treiber im

auslagert werdenDie Module laufen jedoch im

Kernelmodusund nicht im

BenutzermodusDarum ist der Linux-Kernel

ein monolithischer KernelBeispiele für Betriebssysteme mit monolithischem Kern Linux, BSD, MS-DOS, FreeDOS, Windows 95/98/ME, MacOS (bis 8.6), OS/2

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Minimale Kerne (1/2)Bildquelle: WikipediaIm Kern befinden sich üblicherweise nur: Notwendigste Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung Funktionen zur Synchronisation und Interprozesskommunikation außerhalb des Kerns und laufen wie die Anwendungsprogramme im

Benutzermodus

Beispiele für Betriebssysteme mit Mikrokernel

AmigaOS, MorphOS, Tru64, QNX Neutrino, Symbian OS, GNU HURD

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Minimale Kerne (2/2)Bildquelle: WikipediaVorteile:

Einfache Austauschbarkeit der Komponenten

Kernelmodus laufenNachteile:

Entwicklung eines neuen (Mikro-)kernels ist eine komplexe Aufgabe Der Anfang der 1990er Jahre prognostizierte Erfolg der Mikrokernelsysteme blieb aus

=?Diskussion von Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992)Prof. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 22/31

Hybride Kerne (1/2)

Kompromiss zwischen monolithischen Kernen und minimalen Kernen Enthalten aus Geschwindigkeitsgründen Komponenten, die bei minimalen

Kernen außerhalb des Kerns liegenEs ist nicht festgelegt, welche Komponenten bei Systemen mit hybriden

Das Grafiksystem ist bei Windows NT 4 im Kernel enthalten

Vorteil: Steigerung der Performance

Quelle

MS Windows NT Kernel-mode User and GDI White Paper.https://technet.microsoft.com/library/cc750820.aspxHybride Kerne heißen auch Hybridkernel oder Makrokernel

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Hybride Kerne (2/2)Bildquelle: WikipediaVorteile:

Grund: Weniger Prozesswechsel

Beispiele für Betriebssysteme mit hybriden Kernen Windows seit NT 3.1, ReactOS, MacOS X, BeOS, ZETA, Haiku, Plan 9, DragonFly BSD

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Linus Torvalds vs. Andrew S. Tanenbaum (1992)

26. August 1991: Linus Torvalds kündigt das Projekt Linux in der

Newsgroupcomp.os.minixan17. September 1991: Erste interne Version (0.01)

5. Oktober 1991: Erste offizielle Version (0.02)

29. Januar 1992: Andrew S. Tanenbaum schreibt in der Newsgroup

comp.os.minix: "LINUX is obsolete"Linux hat einen monolithischen Kernel=?RückschrittLinux ist nicht portabel, weil auf 80386er optimiert und diese Architektur

geführte Diskussion über die Vor- und Nachteile von monolithischen

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Meine SchlussfolgerungBildquelle: Lukasfilm Games

Die Zukunft kann nicht vorhergesagt werden

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Ein trauriges Kernel-Beispiel - HURDBildquelle: stallman.org und Wikipedia1984: Richard Stallman gründet das GNU-Projekt

Ziel: Entwicklung eines freien UNIX-Betriebssystems =?GNU HURDGNU HURD besteht aus:

GNU Mach, der Mikrokernel

Dateisysteme, Protokolle, Server (Dienste), die im Benutzermodus laufenGNU Software, z.B. Editoren (GNU Emacs), Debugger

(GNU Compiler Collection), Shell (Bash),...GNU HURD istso weitfertigDie GNU Software ist seit Anfang der 1990er Jahre

weitgehend fertigNicht alle Server sind fertig implementiert

Eine Komponente fehlt noch: Der Mikrokernel

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Ein extremes Kernel-Beispiel - kHTTPdhttp://www.fenrus.demon.nl2000: Ingo Molnár entwickelt für Linux Kernel 2.4.x

denkernel-basierten Web-ServerkHTTPdVorteil: Beschleunigte Auslieferung statischer(!) Web-SeitenKeine Moduswechsel zwischen Benutzermodus und Komplexe Software wie ein Web-Server sollten nicht Angreifer führenIm Linux Kernel≥2.6.x ist kHTTPd nicht enthalten

Bildquelle: Ivan Ganev

Bildquelle:

http://loda.hala01.comProf. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 28/31

Schichtenmodell (1/2)

Betriebssysteme werden mit ineinander liegenden Schichten logisch strukturiertDie Schichten umschließen sich gegenseitig die Schichten enthalten von innen nach außen immer abstraktere

FunktionenDas Minimum sind 3 Schichten:

BenutzerschnittstelleIn der Regel stellt man Betriebssysteme mit mehr als 3 logischen

Schichten dar

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Schichtenmodell (2/2)

Jede Schicht ist mit einerabstrakten MaschinevergleichbarDie Schichten kommunizieren mit benachbarten Schichten über

Alle Funktionen (Dienste), die eine Schicht anbietet, und die Regeln,

die dabei einzuhalten sind, heißenProtokollProf. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 30/31

Schichtenmodell von Linux/UNIX

glibc oder direkt die Systemaufrufe aufrufen (=?siehe Foliensatz 7)Prof. Dr. Christian Baun - 2. Foliensatz Betriebssysteme - Frankfurt University of Applied Sciences - SS2016 31/31

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