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Vorlesung Betriebssysteme I

Thema 1: Einführung

Robert Baumgartl

4. Oktober 2022

1/35

Organisatorisches

2/35

Vorkenntnisse

Bitte um Handzeichen - Wer hat schon

I mit Windows gearbeitet? I mit Linux (o.a. Unix) gearbeitet? I einen der Editorenvioderemacsgenutzt? I in C programmiert? I makeeingesetzt? I fork()beim Programmieren benutzt? I in der Open-Source-Community mitgewirkt? I einen Treiber geschrieben? 3/35

Vorkenntnisse II

Wer weiß, was das ist?

char *foo(char*dest,const char *src) while *dest++ =*src++); ...und das? (Vorsicht! Nicht ausprobieren!) 4/35

Wozu befassen wir uns mit Betriebssystemen?

... es gibt doch Windows!

Einige Gedanken:

I Grundlagenfach der Informatik ("es geht nichtohneBS") I

BS sind verflixt komplex!

I aktiver Forschungsgegenstand I

Betriebssysteme-Sicherheit

IVerteilung & Skalierbarkeit

Ressourceneffizienz, Resilienz (u.a.)

IKonferenzen: SOSP, USENIX, EUROSYS

5/35 Einordnung der LehrveranstaltungBetriebssysteme 1 Programmierung 1

Rechnernetze

Betriebssysteme 2 Wahlpflichtmodul

Bachelorarbeit

ProjektseminarRechnerarchitektur

1. Semester

3. Semester

4. Semester

5. Semester

6. Semester(nur Inf.)

z.B. Virtualisierungz.B. Echtzeitsysteme (...natürlich über ein Betriebssystem-Thema!) 6/35 1.

Einführ ung(Gr undlegendeBeg riffe)

2.

Lin uxin a Nutshell

3.

Dateisystem

4.

Gr undlegendeBeg riffe,T eil2

5. 6.

K ommunikation

7.

Scheduling

8. 9.

Synchronisation, sof ernZeit

7/35 1. Bereitstellen v onDiensten und dafür notw endigen u.v.a.m.) 2.

Ressourcen verwaltunginklusiv eProtok ollierung

3. 4.

Basis für Schutz und Sicherheit

8/35

Perspektiven auf Betriebssysteme

I

Nutzer

I

Administrator

I

Systemprogrammierer

I

Treiberprogrammierer

I (feindlicher) Angreifer, "Hacker" I

Forensiker

I

Controller

I

Lehrer

I

Wissenschaftler

9/35

Ziel des Kurses

Vermittlung von vorwiegend praktischen Kenntnissen zu I

Nutzung elementarer Werkzeuge

I

Automatisierung von Bedienhandlungen

I

Interaktion zwischen Applikationen und

Betriebssystem(en)

I I

Unix-artigen und Windows-Betriebssystemen

10/35

Eine kurze Geschichte der ...Betriebssysteme

Entwicklung der Rechensysteme

1.

Erste Re chner[ca. 1945]

I kein BS 2.

Großrechne r( Mainframes) [ca.1960 ...heute]

I

IBM System/360:

OS/360

-Familie

Iaktuellz/OS für heutige IBM-Mainfr ames

3.

Minicompute r[ca. 1970. ..1985]

I

DEC PDP 11:

UNIX [1970 . ..heute]

IDEC VAX 11/780:VMS [1977 . ..heute]

4.

W orkstations[ca. 1982. ..1995]

I z.B. HP, Sun, Silicon Graphics u.v.a.m

IUNIX, d.h.,HP-UX ,SunOS ,IRIX , ...

Iheute weitgehend verschwunden (durch High-End-PCs ersetzt) 11/35

Eine kurze Geschichte der ...Betriebssysteme

Entwicklung der Rechensysteme, Teil 2

5. Mikrocompute r(P ersonalComputer) [ca. 1978. ..heute]1Homecomputer [ca. 1978 ...1994] I Commodore PET, C64, Atari ST, Commodore Amiga, ...

IHomebrew-OS ("ROM-BIOS"),CP/M ,AmigaOS , ...

Iheute weitgehend ausgestorben2Apple-Computer [ab 1984] I macOS IOS X(Gr undlage:Darwin , basierend aufBSD UNIX 4.4 )3IBM PC (XT, AT, 386er ...) [ab 1981] I

MS-DOS

[1981 . ..1994]

IWindows

!Windows 1.01 [1985] ...ME [2000] !NT 3.1 [1993] ...XP [2001] ...11[ab 2021]

ILinux[ab 1991]

12/35

Eine kurze Geschichte der ...Betriebssysteme

Entwicklung der Rechensysteme, Teil 3

6. Mobile Rech ner(Handys ,Smar tphones,T ablets)1"klassische" Mobiltelefone I

Nokia, Ericsson, Motorola (u.v.a.m.)

Ijeder sein eigenes BS2Symbian-Smartphones [1997 ...2012] I

SymbianOS

Ierstes BS für Smartphones und PDA: Nokia Communicator,

Ericsson P900, ...

ISingle-Core-Architektur

Iwechselvolle Geschichte3Apple iPhone [ab 2007]

I iOS I

Android

, basierend auf

Lin ux

Iweitestverbreitetes BS überhaupt

13/35

Plattformen fürs "Personal Computing"

I verkaufte "Personal

Computing Units" pro

Jahr I

Quelle:

http://twitpic.com/87nbjj 14/35

Eine kurze Geschichte der ...Betriebssysteme

LeseempfehlungenGerard O"Regan:A Brief History of Computing.Springer Verlag,

2012Brian Bagnall:Volkscomputer.Aufstieg und Fall des

Computer-Pioniers Commodore und die Geburt der

PC-Industrie, Gameplan, 2011Linus Torvalds, David Diamond:Just for Fun: Wie ein Freak die

Computerwelt revolutionierte. dtv, 2002

15/35

Aktuelle Betriebssysteme

Es gibt:

I

Windows-Familie (1.01!11)

I Linux I

MacOS X

... das wars, oder? I

MS-DOS, RTEMS, QNX, FreeBSD, SymbianOS, PalmOS,

RTAI, HP-UX, BeOS, Minix, Chorus, L4, Mach, Amoeba, OS/390, DCP, TOS, CP/M, VMS, eCos, Contiki, OS/2 ... I 16/35

Aktuelle Betriebssysteme

Es gibt:

I

Windows-Familie (1.01!11)

I Linux I

MacOS X

... das wars, oder?I

MS-DOS, RTEMS, QNX, FreeBSD, SymbianOS, PalmOS,

RTAI, HP-UX, BeOS, Minix, Chorus, L4, Mach, Amoeba, OS/390, DCP, TOS, CP/M, VMS, eCos, Contiki, OS/2 ...I UNIX I ...ist kein Betriebssystem, sondern eine ganze Familie I "unique" I zusammen mit der Programmiersprache C in den 70er

Jahren entwickelt

I einige Vertreter: *BSD, System V, Linux, HP-UX, AIX,

Solaris, Minix

I sogar Microsoft hat ein UNIX entwickelt: XENIX (es ist aber schon lange tot) I I beliebt vor allem im Serverbereich (aber nicht nur!) 18/35

Philosophie von UNIX

1.

Small is beautiful.

2.

Mak eeach prog ramdo one thing w ell.

3.

Build a prototype as soon as possib le.

4.

Choose por tabilityo verefficiency .

5.

Store data in flat te xtfiles .

6.

Use softw arele verageto y ouradv antage.

7. Use shell scr iptsto increase le verageand por tability. 8.

A voidcaptiv euser interf aces.

9.

Mak ee veryprog rama filter .

(Mike Gancarz: The UNIX Philosophy, Digital Press, 1995) 19/35

Lizensierungsaspekte

2 grundlegende Ideen:

I

Closed Source: Quellcode ist geheim,

"Betriebsgeheimnis", steht i.a. nur dem Hersteller zur

Verfügung

I Open Source: Quellcode steht prinzipiell jedem zur Verfügung!kann modifiziert und weiterverteilt werden (und soll dazu ermuntern) 20/35

Kommerzielle Lizenzen

I kann (muss aber nicht) Einblick in Quellcode umfassen (z.B. für nichtkommerzielle Zwecke) I erfordert meist Vertrag ("End User License Agreement" (EULA)) I typische EULAs sind im EU-Raum jedoch unwirksam (zum

Glück)

Kosten für:

I

Entwicklungswerkzeuge

I Bibliotheken (z.B.für Protokollstacks oder zum Debugging) I I (Schulung der Entwickler) 21/35

GNU General Public License (GPL)

I

Richard Stallman, 1989

I

Kurzform:

1. Das W erkdarf für beliebige Zw eckev erwendetw erden (auch kommerziell). 2. Das W erkdarf beliebig w eitergegebenw erden,k ostenlos oder kostenpflichtig. Der Quelltext (auch eigener

Modifikationen) ist mitzuliefern.

3.

Das W erkdarf beliebig modifizier tw erden.

4. erfolgen. I Weiterverbreitung von aus freien Werkenabgeleiteten

Werken!niemand kann die Verbreitung eines

ursprünglich freies Werk verhindern ("Virulenz") I wichtigste Open-Source-Lizenz I

Beispiele: Linux, eCos, GCC, emacs, vi

22/35

Nachteile der GPL

I untersagt das Vermischen von GPL-Code mit Code, der unter inkompatibler Lizenz steht (also alle closed source, aber auch freie Software) I illegal im Linux-Kern (geduldet; "tainted kernel") I erschwert die Migration zu freier Software, da in Unternehmen existierende kommerzielle Software nicht ohne weiteres in diese integriert werden kann I Verletzungen werden verfolgt! (gpl-violations.org) 23/35

Klassifizierung von Betriebssystemen

Kriterium: Nutzeranzahl

I

Single-User-BS

I

Multi-User-BS

I

Single-Tasking-BS

I

Multi-Tasking-BS

Kriterium: Kommunikation mit der Umwelt

I

BS zur Stapelverarbeitung (Batchbetrieb)

I interaktives BS I

BS für autonome Systeme

24/35

Klassifizierung von Betriebssystemen II

Kriterium: Verteilung

I lokales BS I verteiltes BS

Kriterium: Zielarchitektur/Einsatzzweck

I

Serverbetriebssystem

I eingebettetes Betriebssystem I

Echtzeitsystem

I

Mainframe-BS

I

BS für Personal Computer

I

BS für Smart Card

I

BS zur Ausbildung/Lehre

25/35

Welches Betriebssystem wird eingebettet eingesetzt?© 2017 Copyright by AspenCore. All rights reserved.2017Embedded Markets Study

62
22%
20% 19% 13% 13% 11% 8% 5% 5% 5% 5% 4% 4% 4% 3% 3% 3% 3% 2%

Embedded Linux

FreeRTOS

In-house/custom

Android

Debian (Linux)

Ubuntu

Microsoft (Windows Embedded 7/Standard)

Texas Instruments RTOS

Texas Instruments (DSP/BIOS)

Micrium (uC/OS-III)

Microsoft (Windows 7 Compact or earlier)

Keil (RTX)

Micrium (uC/OS-II)

Wind River (VxWorks)

AnalogDevices (VDK)

Express Logic (ThreadX)

Freescale MQX

Angstrom (Linux)

Green Hills (INTEGRITY)

2017 (N=619)

Only Operating Systems with

2% or more are shown.

Please select ALL of the operating systems

you are currently using.

Base: Currently using an operating system(https://m.eet.com/media/1246048/2017-embedded-market-study.pdf)

26/35

Interaktion mit dem Betriebssystem

Paradigmen:

I vorwiegend textorientiert (Konsole, Shell,

Eingabeaufforderung)

I Die FrageWas ist besser?führt unausweichlich zu Ärger I keine Frage des Betriebssystems sondern der 27/35

Modellierung und Strukturierung von BS

überhaupt!!durch Lesen des Programmcodes kaum zu verstehen

Kommunikationsbeziehungen zwischen Komponenten

Übersicht schaffen.

28/35

Modell 1: Monolithisches System

I

Andrew Tanenbaum: "The Big Mess"

I jede Routine, Funktion, ...darfjedeandere im System rufen unübersehbare Vielfalt potentieller

Kommunikationsbeziehungen

I keinInformation Hiding I

BS = Sammlung von Funktionen

I typisch für "historisch gewachsene" Systeme I effizient! 29/35

Modell 2: Geschichtetes System

I

Kommunikation nur zwischen Instanzen benachbarter

Schichten

I

Beispiel: OSI-Schichtenmodell der ISO für

Kommunikationsprotokolle (7 Schichten)

I leider kein vergleichbarer Standard in der BS-Technologie etabliertSteuerungshierarchie

Diensthierarchie

Applikation

Hardware

I

Gefahr der Ineffizienz

30/35

Variante: quasikonsistente Schichtung

I Schichtung nicht zwingend:"Betriebssystem"Applikationen

Hardware

I/OBIOSDOSCOMMANDApplikation

CPUAbbildung:Quasik onsistenteSchichtung im MS-DOS 31/35

Beispiel für ein komplex geschichtetes Modell

Mark Russinovitch et al:Windows Internals.6th ed., Microsoft Press, 2012, S.47 CHAPTER 2 System Architecture 47

Windows, and Chapter 4 details management mechanisms such as the registry, service processes, and Windows Management Instrumentation. . Other chapters explore in even more detail the internal structure and operation of key areas such as processes and threads, memory management, security, networking. .

System Processes

ServicesApplicationsEnvironment

Subsystems

Windows

SUA

Windows DLLs

NTDLL.DLL

System Service Dispatcher

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