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Betriebssysteme (Grundlagen (Aufgaben eines Betriebssystems…

- - - - Zugriff auf Hardware
    - - Zwischen Usern z.B. Dateizugriff
    - - Division durch 0 oder Benutzung von illegalen Adressen
    - - Parallel laufende Programme
    - - Beispiele sind Dialog-, Stapel- und Echtzeitbetrieb
    - - CPU
      - Speicher
      - I/O
      - Kommunikation
    - - Starten, Ausführen, Überwachen und stoppen von Programmen
      - Ausführen von Programmfolgen
    - - Datensicherung,
      - Systemkonfiguration
      - Formatierung
  - - - Auslagerung häufig verwendeter Teilaufgaben von Applikationen
    - - Abarbeitung von allgemein auftretenden Aufgaben
    - - Programme, die beim laufenden System im Hauptspeicher geladen sein müssen
      - Programme, die besonders geschützt werden müssen
  - - - Terminals
      - Erkennung von Übertragungsfehlern
      - Verschlüsselung
  - - - Boole’sche Funktionen
      - Analog Digital Wandler
    - - Z.B. Transport des Inhalts eines Registers in ein anderes
    - - Instruction Set unit (ISU)
        
        tiefste erreichbare Ebene für Programmierer
      - Prozessoren kommunizieren über interrupts
    - - System calls
      - Hier existieren Prozesse, Ressourcen, Dateien
      - Die Syntax von Programmen noch binär
    - - Lesbare Namen für Maschinenbefehle, Register, Speicheradressen
      - Eine Assembler Sprache bezieht sich auf genau einen Prozessortyp
  - - - BIOS
        
        An der Spitze des Hauptspeichers
        
        enthält alle hardwareabhängigen Teile des Betriebssystems
      - BDOS (Basic Disc Operating System)
        
        Unterhalb des BIOS
        
        Komponente, die Dateien auf Disketten realisiert.
        
        Wird auch von Applikationen benutzt
      - CCP (Console Command Processor)
        
        Interpreter, der in einer Endlosschleife Kommandos von der Konsole liest, analysiert und dann mit Hilfe der Funktionen, die das BDOS anbietet, ausführt.
      - TPA (Transient Program Area)
        
        Programm wird in TPA kopiert
        
        es wird an den Anfang dieses Programms gesprungen
        
        Die Applikation beendet sich selbst, indem sie in den CCP zurückkehrt
      - Unterbrechungsvektor
        
        Enthält Anfangsadressen aller Routinen von interrupts
  - - - Wenn kein Signal vorliegt, führt sie den nächsten Befehl des aktuellen Programms aus
      - Ansonsten starten der Unterbrechungsbehandlung und muss zunächst identifizieren, welches Gerät diese Unterbrechung ausgelöst hat
        
        Jeder Unterbrechungstyp oder jedes Gerät besitzt eine Unterbrechungsnummer
    - - Anfangsadressen aller Routinen in einem sogenannten Unterbrechungsvektor
      - Unterbrechungsnummer wird als Index benutzt, um im Unterbrechungsvektor die Anfangsadresse der zugehörigen Unterbrechungsroutine zu finden
      - Routine ist in der Regel Teil des Betriebssystems
    - - Danach müssen die Inhalte aller Register sowie andere Teile des Programmzustandes typischerweise auf einem Stack abgelegt werden
    - - Der Controller des E/A-Geräts sendet ein Signal.
      - Nach Ausführung des aktuellen Befehls wird das laufende Programm unterbrochen.
      - Die CPU analysiert die aufgetretene Unterbrechung.
      - Der Zustand des unterbrochenen Programms wird gerettet.
      - Die Unterbrechungsroutine wird ausgeführt.
      - Der Zustand des unterbrochenen Programms wird wiederhergestellt, und es wird fortgesetzt.
  - - - Der Betriebssystemkern im hauptspeicher muss vor illegalen Änderungen/Zugriff geschützt werden
      - Grenzregister
        
        Bei Zugriff auf Speicherbereich des Betriebssystemkerns wird eine Ausnahme ausgelöst
        
        Enthält den Wert an dem der Benutzerbereich Beginnt
      - Trap-Instruktion/supervisor call
        
        zusätzlichen Maschinenbefehl
        
        Aufgabe wird vom Betriebssystem übernommen
      - Kein Schutz vor Ausführung von Maschinenbefehlen
    - - Hardwareunterstützung - CPU hat mehrere ausführungsmodi
  - - - Nutzer wartet auf Antwort.
      - Antwortzeit muss kurz sein
    - - Benutzer erstellt (batch-)job
    - - können nicht einfach zur Optimierung der Auslastung des Rechners zeitweise stillgelegt werden.
      - Kombination aus interaktiv und Stapel
    - - erfordern daher einen besonders konstruierten Betriebssystemkern
      - Ausführung in Zeitgrenzen
    - - Zugriff von mehreren Benutzer auf einen Prozess
- - - - Memory Management Unit (MMU)
        
        Übersetzt virtuelle Adresse PN auf physisches Adressen
  - - - (multiprogramming with a fixed number of tasks)
      - (best-available-fit)
      - (best-fit-only)
    - - (multiprogramming with a variable number of tasks)
      - First Fit.
      - Best Fit.
      - Worst Fit.
      - Buddy.
  - - - Bereich im physischen Speicher
    - - Bereich des logischen Speichers
    - - Enthält die Page frame Page Verknüpfung eines Prozesses
  - - - Swap-Bereich
      - page fault
      - dirty bit
        
        Seite muss nur erneut in Speicher kopiert werden, wenn diese im hauptspeicher verändert wurde.
      - Seite. Werden nur auf Anfrage (Page fault) in den Hauptspeicher geladen
      - Lokalitätsannahme.
        
        Nur kleiner Teil von Code regelmäßig genutzt, darum reichen wenige seiten
    - - nur in Ausnahmefällen
  - - - keine Seitenrahmen unbenutzt.
      - Zuweisungsstrategie
      - Prozesse sollte möglichst viele Page frames haben
      - Seitenauslagerungsstrategie
    - - Es wird die Seite ausgelagert, die am längsten von allen eingelagerten Seiten nicht mehr benutzt wurde
      - Benötigt eine relativ aufwändige Hardware-Unterstützung
    - - Wenn Zugriffsbit 1 dann auf 0 setzen und ans Ende der Liste
    - - Arbeitsmengenstrategie
        
        Lokalität
      - Thanks/seitenflattern
- - - - Verwaltung vieler Prozesse
    - - erzeugt/created
      - Bereit/ready
      - rechnend/running
      - blockiert/blocking
      - Beendet/finished
    - - Programmsegment
        
        Ausführbarer Code des Programms
      - Stacksegment
        
        Enthält die Aufrufe inklusive Parameter
      - Datensegment
        
        Hier befinden sich die erzeugten oder zu bearbeiten Daten
    - - Alle Daten, die das Betriebssystem über einen Prozess verwalten muss bezeichnet man als PCB
      - Werden in der Prozesstabelle
      - Komponenten
        
        Prozess-ID
        
        Prozessorstatus.
        
        Programmzähler,
        
        Register
        
        Prozesskontrollinformationen.
        
        Prozesszustand
        
        Priorität
        
        Speicherbereich,
        
        geöffneten Dateien
        
        Runtime Statistik
    - - Das Programm, der Stack, die Daten und der Prozesskontrollblock
    - - In
        UNIX gibt es zwei spezielle Prozesse mit den Nummern 0 und 1. Wenn das
        System gebootet wird, wird Prozess 0 erzeugt, der die Echtzeituhr einrichtet,
        das erste Dateisystem verfügbar macht und einen Prozess 1 erzeugt, der auch
        als init-Prozess bezeichnet wird. Alle weiteren Prozesse im System stammen
        von init ab
      - Unter Windows hingegen gibt es kein Konzept einer Prozesshierarchie
  - - - nur der Prozess selbst entscheidet, ob er den Prozessor abgeben will,
  - - - Zuständig für das Umschalten des Prozessors zwischen den Prozessen
      - Sichern der Informationen über den bisher rechnenden Prozess in dessen Prozesskontrollblock.
      - Übergeben dieses Prozesskontrollblocks an den Scheduler (s. u.) zum Einfügen in die entsprechende Warteschlange (bereit, blockiert) ein.
      - Wiederherstellen des alten Zustands des von Scheduler ausgewählten nächsten Prozesses aus dessen Prozesskontrollblock.
      - Den Prozessor an den neuen Prozess übergeben, damit dieser in den Zustand rechnend kommt.
    - - Entscheidend welcher Prozess als nächstes ausgeführt wird
  - - - Entscheidet wann ein Prozess in den Hauptspeicher geladen wird
      - in moderneren Betriebssystemen wird darauf verzichtet immer das komplette Programm im Hauptspeicher zu haben
    - - First Come First Served (FCFS)
      - Shortest Job First (SJF)
        
        Starvation möglich
        
        Schätzung der Laufzeiten
      - Priority Scheduling
        
        Bei statischen scheduling können Prozesse Verhungern.
        
        Dynamisches scheduling ändert Priorität von Prozessen nach Wartezeit
      - Round Robin
        
        Prozess erhält Zeitscheibe/Quantum
        
        Nach Ablauf Einreihung am Ende der Liste
        
        Prozessumschaltzeit muss bei Größe der Zeiteinheit beachtet werden
      - Shortest Remaining Time First
        
        Wie Shortest Job First Strategie nur das bei Ankunft eines Prozesses der laufende unterbrochen wird und die Prozesse neu bewertet werden
      - Feedback Scheduling
        
        Neu eintreffende Prozesse erhalten Hohe Priorität mit kurzen Zeitscheiben. Lang laufende Prozesse erhalten über Laufzeit größere Zeitscheiben.
      - Mehrere Warteschlangen
        
        Jede Warteschlange nutzt ein anderes scheduling verfahren.
        
        Jede Warteschlange hält eine andere Kategorie von priorisierten Prozessen
    - - Prozessorauslastung.
      - Durchlaufzeit.
        
        Zeitintervall zwischen Start und Ende des Prozesses
      - Durchsatz.
        
        viele Aufträge sollen in einem bestimmten Zeitintervall bearbeitet werden.
      - Antwortzeit.
        
        Zeitintervall zwischen Eingabe des Benutzers und dem Beginn der Reaktion des Systems
      - Fairness.
    - - Zeit die ein Prozess den Prozessor am Stück benutzen möchte
    - - Mathematischer Ansatz.
      - Interpretationsprobleme.
      - Realer Test
  - - - Effiziente Kommunikation:
      - Erreichbarkeit:
        
        Nur ein Thread miss auf Ressourcen warten, die anderen können weiter arbeiten
      - Teilen der gemeinsamen Ressourcen
      - Mehr Effizienz:
        
        Bei Wechsel von rechnenden Threads müssen nur die Register ausgetauscht werden
    - - Benutzer Thread
        
        Verwaltung und Steuerung über Thread library und Benutzer
      - Kernel Thread
        
        Der Kernel verwalte die Threads wie auch schon bei Prozessen
    - - Mehrprozessor-Maschinen
      - Gerätetreiber für langsame Geräte
      - Verteilte Systeme
- - - - Controller
        
        Z.B. USB Controller
        
        Kommunikation mit cpu
        
        I/O-Ports
        
        (memory-mapped I/O)
        
        Register des Controllers als Teil des hauptspeicher
      - Programm-gesteuerte Ein-/Ausgabe
        
        Systemaufrufe mit polling der cpu an controller
      - Interrupt-gesteuerte Ein-/Ausgabe
        
        Viele interrupts und cpu muss Daten in hauptspeicher schreiben
      - Ein-/Ausgabe mit DMA
        
        DMA liest von Gerätcontroller und schreibt direkt in hauptspeicher und teilt cpu mit wann fertig
- - - - Wenn Prozesse keine gemeinsamen Daten verändern. Lesen ist ok.
    - - wenn abläufe konkurrenter Prozesse von der relativen Geschwindigkeit abhängen.
    - - Wettbewerb zweier Prozesse um gemeinsamen Speicher, deren Ergebnis davon abhängt
    - - Nur ein Prozess kann geschützten/kritischen Bereich betreten
  - - - benötigt kein aktives warten
      - Binäre semaphor
      - Allgemeine semaphire
        
        Mehr als ein Prozess kann in irritieren Bereich
  - - - Wechselseitiger Ausschluss: D
      - Nichtunterbrechbarkeit (no preemption)
      - Hold-and-wait-Bedingung
      - Zyklische Warte-Bedingung (circular wait)
    - - C=belegte Ressource je Prozess
      - M=maximale Anzahl der Ressource die der Prozess belegen kann.
      - R=Vektor der verfügbaren Ressourcen
      - A=Anforderungen der Prozesse an Ressourcen