ZHAW BSY Kap1-2

Werkzeug zur Programmerstellung, Programmausführung, Systemzugriff ermöglichen, Interprozesskommunikation, Fehlerhandling, Accounting

Personal Computers und Mobiile Computers

Aus einem Stapel Programmen wird ein Programm nach dem anderen abgearbeitet. (Sequentiell).

Programme sind meist auf Lochkarten

Ein Monitor ist eine Art Minimalbetriebssystem,

• das nach dem Reset des Prozessors gestartet wird,
• Interrupt-Vektoren, Benutzerschnittstellen etc. aufsetzt,
• Jobs aus dem Batch in den Speicher lädt und ausführt.
• Auch das BIOS ist eine Art Monitor

Mehrere Programme werden gleichzeitig im Zeitmultiplexverfahren auf einer einzigen CPU ausgeführt.

Interrupts

In beiden Fällen werden die Programme scheinbar gleichzeitig ausgeführt.

Multiprogramming: Jedes Programm läuft jeweils für ein kurzes Zeitintervall

Multicore-System: Programme können echt gleichzeitig d.h: parallel ohne Unterbrüche (müssen aber nicht) ausgeführt werden

Zeitlich verschränkt -> vom Anwender als gleichzeitig Wahrgenommen

Echt gleichzeitig. 

Timesharing erlaubt mehrere interaktive Benutzer

Reaktionszeit des Menschen relativ langsam. 2 sek Rechenzeit pro Minuten ausreichend

• Prozesse
• Scheduling / Ressourcenverwaltung
• Speicherverwaltung
• Schutzmechanismen
• Systemarchitektur

Bei Microkernel Architekturen sind nur die allernotwendigsten Funktionen im Kernel, die restlichen Funktionen sind in Prozesse ausgelagert. Vorteile: Flexibilität, Portabilität, einheitliche Schnittstellen, schlank, 

Schichtenmodell: Klare Trennung, gut definierte Schnittstelle aber Performance eher schlechter

• Scheduling
• Einfache Interprozesskommunikation 
• Grundlegendes Speichermanagement

Mehrere identische Prozessoren mit gemeinsamen Speicher und IO

Resultate müssen logisch richtig sein und zum richtigen Zeitpunkt zur Verfügung stellen

Ein Hypervisor ist eine Virtualisierungsschicht, die es ermöglicht mehrere Betriebssysteme gleichzeitig auf einem Rechner laufen zu lassen.

Typ 1: Kein Host-OS, nur Treiber für die Ansteuerung der Prozessor-Ressourcen.

Typ 2: Mit Host-OS, Treiber und Filesystme des Host-OS werden genutzt, üblicherweise ein Kernel-Modul für effizientere Verarbeitung und Ausführung von priviligierten Instruktionen

• Gleichzeitige Ausführung mehrerer interaktiver Programme
• CPU Zeit auf mehrere Benutzer verteilt
• "Gleichzeitiger" Zugriff durch mehrere Benutzer

• Nur ein Programm im Speicher
• Verbringt meiste Zeit mit Warten.
• Sehr schlechte CPU Auslastung

• Mehrere Programme im Speicher
• Programm wartet auf I/O Operationen
• Monitor führt anderes Programm aus (concurrent / interleaving)

• Nichtdeterministische Programmverhalten
  • Resultat der Berechnung abhängig von anderen aktiven Programmen
• Gegenseitigem Ausschluss
  • Gleichzeitiger Zugriff mehrerer Programme auf eine Ressource
• Synchronisation
  • Signale beim Warten verloren
• Deadlocks
  • Programme warten gegenseitig (z.B. auf Freigabe von Ressourcen).

Programm in Ausführung (Sandbox)

• Zuteilung von Rechenleistung
• Bs unterhält verschiedene Queues:
  • Ready Queue: Programme warten im Speicher auf CPU
  • Wait Queues: Prozesse warten auf I/O Gerät oder Operation
  • Long Term Queue: Prozesse warten auf Zulassung vom System welches nur eine beschränkte Anzahl von Prozessen zulässt

Berücksichtig:

• Fairness: Alle Programme haben grundsätzlich gleiche Zugriffsrechte
• Differenzierte Behandlung: z.B. Prozesse die auf I/O Daten warten sofort einplanen sobald Daten verfügbar sind.
• Effizienz: Maximaler Durchsatz, minimale Antwortzeit, möglichst viele Benutzer bedienen

• Prozessisolation: Kein gegenseitiger Zugriff auf Speicher und Daten möglich
• Automatische Speicherallokation: Progammierer muss sich nicht um Speicher kümmern sondern Betriebssystem weist speicher nach Bedarf zu
• Schutz und Zugriffskontrolle: Zugriffskontrolle und Schutz bei gemeinsamer Nutzung des Speichers. (z.B. druch Virtueller Speicher ⇒ Grösserer Addressraum als physikalischer Speicher, nur benötigte pages werden in den richtigen Speicher geladen)

• Langzeitspeicherung von Daten auf Sekundärspeicher
• Informationsspeicherung in Files
• Ablageorganisation der Files: Hierarchisch in Verzeichnisse
• Operationen auf Files: Create, Open, Delete, Close, Rename etc

• Zugriffskontrolle**:**
  • Kein Zugriff auf nicht freigebene Resourcen
  • Systemzutritt nur für zugelassene Us
• Kontrolle des Informationsflusses
  • Innerhalb des Systems
  • Bei auslieferen an Benutzer

Interrupts

    - erlauben Unterbruch laufender Programme durch Events

    - bessere CPU-Ausnutzung durch Multitasking

System Calls

    - Schnittstelle zwischen User- und System-Bereich

    - schützt BS vor unerlaubtem Zugriff (Gate zum BS)

Speicherhierarchie: Lokalitätstprinzip

    - "versteckt" Zugriffszeiten auf Speicher

    - nicht-deterministische Zugriffszeiten problematisch bei Echtzeitsystemen

Boot-Vorgang

    - Systeminitialisierung und Systemstart, erfolgt schrittweise

    - abhängig von Komplexität des BS

• Rechnereinheiten
  • ALU
    • Logik und Rechenoperationen
  • FPU
    • Floating Point Unit
•  
• Adress-, Daten- und Statusregister (PSW)
  • Für Benutzer sichtbar
  • von System- und Anwenderprogrammen benutzt
  • Conditioncodes und Flags
• Kontroll- und Statusregister
  • z.T von CPU, z.T vom OS benutzt
  • viele nicht sichtbar für Anwendungsprogramme
• Instruction Unit
  • Steuereinheit: Interpretation und Ausführung der Instruktionen
• Bus Interface
  • Ansteuerung der externen Einheiten

• Virtueller kern
• Eigener Registersatz pro Hardware-Thread
• Jeder Core hat mehrere Threads
• Hyperthreading bei Intel
• Threads teilen sich ALU
• Performance Gewinn abhängig von Anwedung bis zu 50%

UMA = Uniform Memory Access:

Dabei gibt es nur einen globalen Speicher, auf den von allen Prozessoren aus einheitlich zugegriffen werden kann. Im Idealfall jeweils mit derselben Bandbreite und Latenzzeit

NUMA = Non-Uniform Memory Acess

jeder Prozessor einen eigenen, lokalen Speicher hat, aber anderen Prozessoren über einen gemeinsamen Adressraum direkten Zugriff darauf gewährt

Synchroner I / O:

• Busy Wait
• benötigt keine Interrupts, CPU wartet auf Beendigung jeder einzelnen I/O Operation

Interup driven I/O

• CPU kann asynchron andere Arbeiten ausführen
• CPU wird unterbrochen wenn I/O Operation beendet

Direct Memory Access

•  ein Speicherblock mit Daten wird vom/zum Speicher übertragen ohne Rechenleistung der CPU zu beanspruchen

Kernel Mode erlaubt zugriff auf kritische Rechner-Ressourcen wie I/O, Kontrollregister, Speicherverwaltung etc.

User Mode erlaubt nur zugriff auf unkritische Rechner-Ressorucen und hat fast kein Zugriff auf die Hardware

• Schnittstelle zwischen Anwendersoftware - Systemsoftware
• Rufen System-Funktionen auf
• Schaltet zwischen Kernel und User mode um

Ablauf:

1. Anwenderprogramm stellt Parameter bereit (Register, Stack)

2. ruft Bibliotheksfunktion auf: normaler Prozeduraufruf - oft Assembler Programm, setzt System Call Number

3. Syscall bzw. SWI Kontrolle geht an Kernel - Kernel ruft System Call Handler auf - Handler wird ausgeführt

4. ev. Rückkehr zur Bibliotheksfunktion

5. Rückkehr ins Anwenderprogramm 

Cache liegt zwischen CPU und Hauptseicher und funktioniert dank dem Lokalitätsprinzip:

• Räumliche Lokalität: Grosse Wahrscheinlichkeit, dass nächsters Speicherzugriff auf nahe liegende Dateien stattfindet
• Zeitliche Lokalität: Grosse Wahrscheinlichikeit, dass Speicherzugriff auf gleiche Datum nochmal stattfindet.

Hardwareabhängige Phase:

• Prozessor startet auf seiner Reset Adresse,
• Hardwareüberprüfung
• Lädt boot code in Speicher

Betriebssystemabhängige Phase:

• Boot code wird ausgeführt

1. Prozessor startet BIOS
2. Bios testet das System und lädt Master Boot Record (MRB) von ersten Sektor der ersten Disk
3. MRB-Code list den Boot-Code von der ersten aktiven Partition und startet den Boot-Code (Loader)
4. Der Boot-Code lädt sich weitere Informationen zum Starten des Betriebssystem von der Partition