Bsys

- Befasst sich mit der Abbildung von virtuellen Adressräumen auf physische Adressräume

- Jeder Prozess hat seinen privaten, grossen, virtuellen Adressraum -> Nicht mehr Eng und ist isoliert von anderen Prozessen

- Jeder virtuelle Adressraum (pro Prozess) VAp wird mittels eines individuellen Abbildung (vmp: VAp -> PA) auf den physchischen Adressraum (RAM) abgebildet

- MMU nimmt dabei die Abbildung vor -> Seitentabelle mit Seitennummer und Frame-Nummer

1) Aufteilung jedes virtuellen Adressraums in Seiten gleicher Grösse, typisch 4 oder 8 KByte (2^10 -> 1KB)

2) Aufteilung des physischen Adressraums in Rahmen gleicher Grössen

3) Seite eines virtuellen Prozessadressraums mit Seitenrahmen des physischen Adressraums assoziieren ("Fliesen legen") -> Seitenabbildungtabelle

Relative Adresse -> x-Stellen ab Referenz(Start)

- Pro virtuelle Seite gibt es einen Eintrag in der Seitentabelle

Seitenattribute:

- anwesend: Ob Seite im Arbeitsspeicher liegt (present-bit)

-benutzt: Ob auf die Seite zugegriffen wurde (used/referenced-bit)

-verändert: Ob die Seite "schmutzig" ist (dirty/modified-bit)

-schutz: erlaubte Zugriffsart je Privilligierungsebene (access control list)

-caching: Ob Inhalte der Seite ge"cached" werden darf

VMM is not free

-> Speicher: Seitentabellen können riesig werden!

-> Performanz: Je Speicherzugriff Zugriff auf die Seitentabelle!

- Viele Prozesse können gleichzeitig aktiv sein

- normalerweise passt der gesamte VA eines Prozesses nicht in den Arbeitsspeicher (Da gilt VA >> PA)

- Paging lagert einzelne Seiten auf ein Hintergrundspeicher aus.

- Es kann jederzeit ein Page Fault kommen, wenn auf eine ausgelagerte Seite zugegriffen werden möchte

RAM voll, was jetzt?

- Seitenaustauschalgorithmus -> FIFO, Second-Chance, Last-Recently-Used (LRU)

Swapping: Ganzer Prozess wird aus dem RAM entfernt -> Prozess wird suspended

Paging: Einzelne Seiten werden auf einen Hintergrundspeicher ausgelagert -> Prozess bleibt aktiv

- gleichzeitige Ausführung von Befehlen

- Mehrere Prozesse laufen gleichzeitig oder überlappend

Scheinbare Nebenläufigkeit: 

- präemptives Multitasking auf einem Prozessor (OS zwingt P zu unterbrechen)

- Unterbrechung durch Interrupts

- Die Prozesse tauschen so schnell (Context-Switch), dass man denkt, dass sie parallel laufen

Echte Nebenläufigkeit:

- Mehrkernprozessor

- Mehrprozessorsystem

- Computernetzwerk

Probleme:

- enstehen bei der Interaktion von nebenläufiger Ausführung von Threads oder Anwendungen, insbesondere beim Zugriff auf geteilte Ressourcen (Bei echter Nebenläufigkeit)

- Zwei oder mehrere Prozesse ändern eine geteilte Ressource (Kritischer Abschnitt)

- Ergebnis hängt vom zeitlichen Verhalten der Ausführung ab und wird dadurch nichtdetermentisch (Nicht vorhersehbar) und Inkonsistenz (Fehlerhaftes Ergebnis).

- Konzept zur Vermeidung von Race Conditions

- Teil des Codes, der den Zugriff auf geteilte Ressourcen koordiniert

- Anwendung des Prinzips des gegenseitigen Ausschlusses:

(MUTEX)-> Wenn ein Prozess einen kritischen Abschnitt durchläuft, können keine anderen oder nur bestimtme andere Prozesse diesen Abschnitt ebenfalls durchlaufen.

- Koordinierung von nebenläufigen Prozessen

- Verhinderung von Inkonsistenz beim Zugriff auf gemeinsam genutze Ressourcen

- Mutex oder Schedulingverfahren

- Kontrollmechanismen: -> Locks (sperren, nur ein Prozess darf in den Bereich), Semaphore (Zähler, der Zugriffe steuert (mehrere Prozesse möglich)

Locks -> einfache Sperre (0/1) oder (True/False)

Semaphore -> Zähler >1 erlaubt mehrere gleichzeitige Zugriffe

Synchronisation verhinder:

- Race Conditions

- Datenverluste

- Inkonsistenz

- Sperre, die den Zugriff auf eine Ressource (kritischer Abschnitt) regelt.

Vor Zugriff (Sperre anfordern) -> nach Zugriff (Sperre wieder aufheben)

Mehraufwand durch -> Locking-Mechanismen

Softwaredesign: richtige Grösse der kritischen Abschnitte finden

- Erlaubt nur einem einzigen Prozess den Zugriff auf eine Ressource

- Nur der Prozess, der die Mutex angefordert hat, kann sie auch wieder freigeben

- Lock mit einem Zähler (Anzahl der maximal gleichzeitigen Zugriffen)

- Vor Zugriff muss Lock reseriert werden (Zähler wird dekrementiert)

- Nach Zugriff muss Lock wieder freigegeben werden (Zähler wird inkrementiert)

- Jeder Prozess darf wieder freigeben, bei Mutex nur der Prozess, welcher gesperrt hat.

Prozess wird suspendiert, bis Semaphore wieder verfügbar ist ("sleeping lock")

Varianten:

- starke Semaphore (echte FIFO-Warteschlange)

- schwache Semaphore (z.B. priorität)

- binäre Semaphore (Zähler nur 0 und 1 / True oder False)

- zählende Semaphore (Zähler auch grösser als 1)

- Daten werden häufig von vielen Prozessen gelesen und nur von wenigen Prozessen geschrieben

- Spezielle Lock für diesen Anwendungsfall

- Zugang für mehrere Leser ist gestattet

- Zugang nur für einen Schreiber

- erhöht Nebenläufigkeit im System (Bessere Performanz)

Grobgranulares Locking (Grosses Lock für alles):

- Kann schnell zu einem Flaschenhals werden, bei dem viele Prozesse vor dem Zugriff auf eine geteilte Ressource warten müssen ("lock contention").

Feingranulares Locking (Viele kleine Locks):

- aufwendiger, aber laufen paralleler

- zyklische Wartesituation zwischen mehreren Prozessen

- Jeder Prozess wartet auf die Freigabe von Betriebsmitteln, die ein anderer beteiligter Prozess bereits exklusiv hat.

- Ein Prozess bekommt nie Ressourcen, obwohl der Prozess sonst eigentlich laufen könnte

Ursachen: 

- Deadlock oder ungeeignete Schedulingverfahren, bei dem grosse Prozesse z.B. verhungern

Starvation: Andere Prozesse laufen weiter

Verklemmung: Alles bleibt stehen, zirkuläre Wartesituation

cool

- Kernel (Kern des OS - Verwaltet die Hardware)
- Bootloader (Startet das OS)
- Gerätetreiber

- Programmbibliothek
- Dienstprogramme
- Anwendungen

Kriteriium 
- Nuteranzahl                                         Single-User / Mutli-User
- Anzahl unabhängiger Aktivitäten         Single-Tasking / Multi-Tasking
- Kommunikation mit der Umwelt          1) Betriebssystem für Stapelverabeitung (Batch)
                                                              2) Interaktive Systeme
                                                              3) Betriebssystem für autonome Systeme
- Struktur/Verteilung                              Lokales BS / Verteiltes BS
- Einsatzzweck                                      1) Sever OS   2) PC OS  3) Embedded OS (Waschmaschinen) 4) Lehrsysteme 5) BS für personal Computer
                                                              

- Textorientert
- Grafische Oberfäche

- Verarbeitung erfolgt in Stapeln, ohne Benutzereingriff
Ziele:

- Maximinierung der Auslastung
- Minimierung der Scheduling Kosten 

- Maximierung des Durchsatz

Verfahren: 
- First Come, Fist Served (FCFS)
- Shortest Remaining Time Next (SRTN)

- Benutzer kann bei Programmabarbeitung in Aktivitäten des Programms eingreifen
Ziele: 

- Minimierung der Reaktionszeit
- Fairness (Mehrere Benutzer)

Verfahren: 

- Round Robin

Allgemein: 

- Fairness (Faire Aufteilung der Rechenzeit)
- Lastbalancierung (Alle Systemkomponenten sind gleichmässig ausgelastet)
- Overhead Vermeidung (Verhinderung von vielen Kontextwechsel)

Abhängig im Einsatzfeld:
- Echtzeitsystem (Einhaltung von Fristen)
- interaktive Systeme (Reaktivität)
- Serversysteme (Reaktivität + I/O - Performanz)
- Batch-Verarbeitungssysteme (Durchsatz)

Die Fähigkeit, schnell und flexibel auf Änderungen oder unerwartete Ergebnisse zu reagieren

Wie viele Jobs/Aufträge man innerhalb eines bestimmten Zeitraums durchkriegt. Durchsatz maximieren -> Mehr Aufträge 

- Speicherverwaltung (Zuteilung und Freigabe von Hauptspeicher für Prozesse, virtuelle Speicher verwalten)
- Dateiverwaltung (Disk-Scheduling, Organisation, Speicherung und Lokalisierung von Daten auf einem Speichermedium)
- Prozessverwaltung (Verwaltung und Koordination alles Prozesse -> Scheduling, Multitasking, Termininierung)
- Datenschutz & Sicherheit (Zugriffskontrollen/Regeln, Verschlüsselungen, Rechteverwaltung, Isolation von Prozessen)
- Benutzerschittstelle (Bereitstellung einer Schnittstelle für die Benutzer -> GUI/Shell)

1) Monolithisch 
- Alles kann alles Andere im System aufrufen

- Unübersehbare interne Kommuniktation (Unstrukturiert)
- Kein Information Hiding
- Bloss Sammlung von Funktionen
- Schwierige Wartung und Erweiterung
- Ein Fehler kann das ganzue System zum Absturz bringen -> Alles läuft im Kernelmodus


2) Geschichtete BS
- Kommunikation nur mit den benachtbarten Schichten möglich 
- Nicht als BS-Standard etabliert 

3) Client-Server-Modell
- Dienste werden von einer zentralen Instanz bereitgestellt

- Client fragt mit gewünschtem Dienst den Server an

- Server liefert, falls möglich
- Performance Einbussung
- Verwaltungsaufwand/Kosten sind hoch

- Interface (Schnittstelle zwischen Benutzer und Hardware) -> GUI/Shell
- Virtuelle Maschine (Abstrahiert Hardware für Programme)
- Dienstleister (Stellt Dienste wie Dateizugriff, Netzwerk, Drucker zur Verfügung)
- Ressourcen Manager (Verwaltet CPU-Zeit, Zugriff auf Speicher und Geräte)

Ebenen: 
1) Systemanwendungen
2) Anwendungen
3) Systemschnittstelle -> API für System Calls
4) HW/SW-Schnittstelle

- Eine Hardwareabstrahierende Schicht

- Stellt eine einheitliche Schnittstelle (API) den Applikationen zur Verfügung

- Jede Software nutzt immer diese Schnittstelle

- Laufen auf dem Betriebssystem

- Interaktion mit dem Betriebssystem läuft über die Systemschnittstelle -> System Calls diesen zur Beauftragung des Betriebssystems

- Einige Systemdienste werden als Systemanwendungen realisiert

- Sie laufen wie Anwendungen, gehören aber zum Betriebssystem (Konfigurations Programme, Compiler, Dateiserver, Namensdienst)

1) Monolithisch
-Alle Funktionen im Kernel selbst

- Alle Aufrufe von Anwendungen, die an den Kernel weitergeleitet werden, laufen im Kernel Modus ab

- Hardwaretreiber

- Funktion -> Prozessverwaltung, Speicherverwaltung, Kommunikation zwischen Prozessen

2) Mikro-Kernel

- Grundlegende Funktionen

- Hardwaretreiber laufen im Programm im User Mode

- Funktionen -> Speicherverwaltung, Prozessverwaltung, Kommunikation, Synchronisation

3) hybrid

- Mischform mikro-Kernel und monolitschem Kernel

User Modus:

- Applikationen werden im User Modus aufgeführt

- Eingeschränkter Modus, in dem normale Programme und Anwendungen ausgeführt werden

- Programme laufen isoliert - Abstuzt bertrifft nur die App

- Eingeschränkter Zugriff auf die Hardware - Wenn ein Programm auf die Hardware zugreifen muss -> System Call nötig

- Jede Speicherreferenz wird automatisch überprüft -> Wenn ein Programm ausserhalb seines Geltungsbereichs ist, wird dieser terminiert.



Kernel Modus

-uneingeschränkter Zugriff auf die HW

- Perfomanter

- Kernel Mode ist dem Betriebssystem vorbehalten

- Nur im Kernel Mode dürfen alle Operationen ausgeführt werden.

- Nur vertrauenswürdiger Code darf im kernel Mode ausgeführt werden

- Neue Prozesse erzeugen

- Treiber ins System laden oder entfernen

- Diensterbringung des Betriebssystems

- Direkter Zugriff auf die Hardware

- Prozess- und Thread Steuerung

Aber nicht: 

- typische Administrationsaufgaben

- Eine Schnittstelle, über die Anwendungen Betriebssystem-Dienste anfordern

- Bewirkt einen Wechsel vom User Mode in den Kernel Mode, wodurch das Betriebssystem kontrollierter und sicherer Zugriff auf Hardware und Ressourcen gewährt.