Betriebssysteme 1

• Verwaltung des realen Hauptspeichers
• Verwaltung des virtuellen Speichers (Adressraum eines Prozesses)
  • Der virtuelle Speicher kann um ein vielfaches grösse sein als der reale Speicher was für ein Prozess mit sehr hohen Kapazitätsanforderungen nützlich ist.
• Exclusiv zu einem Prozess zugeordnet (integrität, Zugriffsschutz)

• Verwaltung von Massenspeicher
• Geräteunabhängig
  • Benötigt Treibersoftware für jedes Gerät
  • Verdeckt spezielle Funktionen wie Disk Scheduling

• create file
• move file
• delete file
• write file
• read file
• close file
• open file

Systemaufrufe sind services welche vom OS selbst ausgeführt werden.

OS bieten Bibliotheken von Systemaufrufen (system calls) für Standart Aufgaben (services) an
z.B

• Prozess Management
• File Management
• Directory Management
• Geräte Kommunikation

Diese Bibliotheken definieren zusammen das Application Programming Interface (API) eines OS

Linux/Unix/Mac=POSIX (Portable Operating System Interface)

Windows=WIN-API

JVM=JAVA API

Windows hat eine höhere Komplexität da es stark GUI lastig aufgebaut ist.

• Stabilität
• Performance
• Funktionalität

Die Implementierung erfolgt meisten in C ergänzt mit einigen Modulen in Assemblersprache

Facts:

Es werden durchschnittlich 10 bugs pro 1'000 Zeilen Code entdeckt, da ein OS aus ca 5Mio Codezeilen besteht hat es somit ca 50'000 bugs in einem OS.

Bugs sollten theoretisch lediglich lokale Auswirkungen( Benutzerprozesse), aber nicht alles zum Absturz bringen (Blue Screen)

• Monolithische Systeme
• Geschichtete Systeme
• Mikrokerne
• Client-Server-Modell
• Virtuall Maschinen
• Exokern

• Ist die am meist verwendete Struktur
• Das ganze OS läuft als einziges Programm im Kernmodus
• Das OS ist als eine Menge von Prozeduren realisiert, die alle zu einem grossen binären Code zusammengeführt werden.
• Somit kann jede Prozedure jede andere Prozedure aufrufen um deren Funktionalität zu benutzen.
• Kann sehr schwerfällig und langsam werden. Deshalb hat man Parameter wohldefinierten Stellen platziert z.B Stack. Der Aufruf passiert nun durch einen Trap, welcher den PC von Benutzermodus in den Kernelmode transferiert.
  • Hauptprogramm das die angeforderten Dinestprozeduren aufruft
  • Diensprozedruen die Systemaufrufe asufrühren
  • Hilfsfunktionen die die Dienstprozeduren unterstützen

• Das Prinzip hier ist es möglichst wenig also nur den aller wichtigsten Code im Kernel Mode auszuführen und der Rest läuft im User Mode. 
• Dies hat den riesen Vorteil das wenn z.B ein Musikprogramm abstürz dies kein einfluss auf die nötigsten Prozesse hat.
• Häufig wird diese Struktur in Echtzeit, avionischer und militärischen Anwendugen platziert.
• Auserhalb des Kerns ist System in drei Schichten strukturiert
• Alle Prozesse dieser Schichten laufen in User Mode
  • Treiber
  • DienstProgramme
  • Benutzerprogramme

Der ReincarnationServer ist ein Dienstprogramm welcher in der Mikrokernstruktur verwendet wirde. Der Service prüft ob andere Dienstprogramme und Treiber korrekt funktionieren. Ist eins defekt repariert der Reinc dies automatisch.

Die Grundidee ist die selbe wie bei Mikrokern mit der abweichung dass die Prozesse in zwei Klassen

• Die Server (jeder stellt einige Dienste zur Verfügung)
• Die Clients(diese Nutzen die Dienste die von den Servern zur Verfügung gestellt sind)

Wichtig hier ist die Kommunikation welche durch Nachrichtenaustausch zwischen Client und Server passiert (message passing) Der Client weiss hier nicht ob seine Nachricht an ein internen Dienst oder Serverdienst gesendet wird und somit ist es auch egal wer in bearbeitet. Internet ist solch ein Modell im Netzwerk

Exokern bildet die Maschine nicht nach wie VM sonder Teilt sie auf. jedem Benutzer wird somit eine fixe Grösse zugeordnet auf der er machen kann was er will. Hauptvorteil daran ist as die Schicht in der das Mapping passiert bei VM wegfällt das ganz klar ist welcher Adressraum zu welchem Benutzer gehört.

Es heisst Exokern da dies ein Programm ist das im Kernmodus läuft und schaut das jede exokern VM nur in ihrem Adressraum agiert und nicht die ressourcen des anderen User benutzt.

Diese Sturktur basiert auf Modulen und sind objektorientier Programmiert. Die Module haben dynamische Beziehungen zu einander. Die Modulstruktur ist dem schichten Modell sehr ändlich da ebenfalls alle Schnittstellen und Aufgaben klar definiert sind, mit dem grossen Vorteil das die Module frei mit jedem anderen Kommunizieren können und keiner Hirarchie unterworfen sind. Dies eliminiert viele Schichten durch welche die message durch müsste und somit auch das Huhn/Ei problem.

• MainFrame
• Server
• Mutiprozsystem
• PC
• Handheld
• embedded Systems
• Sensorknoten
• RealTime
• SmartCards

• Ein Prozesse ist nichts anderes als eine Instanz eines Programms in Ausführung.
• Systemprozesse
  • Beim System Boot werden schon sehr viele notwendige Prozesse gestartet. im Windows passiert dies Teilweise bis Meist über Services
• Benutzerprozesse
  • Prozesse die der Benutzer auslöst. z.B beim Login wird im Hintergrund ein Prozsse gestartet der den User hadelt.
• Treiber Prozesse

Multiprogramming bezeichnet die wechselseitige Nutzung des Prozessor durch verschiedene Prozesse um die Prozessorauslastung zu optimieren. Heisst das die Prozesse in zeitscheiben (ms) aufgeteilt werden und der Prozessor immer Scheibe um Scheibe gemischt mit ander Prozessscheiben verarbeitet. Somit werden Prozesse auch bearbeitet wenn bei einem 80% mit I/O warten verbracht wird.

Formel: Wartezeit auf I/O   p=20%=0.2
               Anzahl Prozesse  n=1

CPU-Auslastung = 1-p^n
80%=1-0.2^1

siehe Bild

Kann man fast alls ein Prozess im Prozess bezeichnen der keinen eigenen Adressraum besitzt.

Threads ermöglichen Parallelität innerhalb eines Prozesses.

Threads können viel schneller gestartet werden, benötigen weniger Ressourcen. Man spricht auch von lightweighted processes

Durch Overlapping

z.B. Stellen wir uns vor das MS Word ein Prozess ist. Diese Prozess muss die Tastenanschläge/Mausbewegungen umsetzen allenfalls noch gleichzeitig speichern und das Dokument umformatieren wie auch die Rechtschreibeprüfung durchführen. Damit dies ohne Warten funktioniert hat der Prozess 4 Threads sonst ginge das sehr lange.

Sobald ein CPU Muliprogrammierbar ist (seit 1980) konkurrieren oft mehrere Prozesse oder Threads zur selben Zeit um die CPU. Die situation trifft immer dan ein wenn n-prozesse oder Threads rechenbereit sind.

Welcher Prozess, welche CPU Ressourcen (cores), wie lange nutzen darf.

Diese Aufgabe wird vom OS-Scheduler wahrgenommen

Prozesse benötigen abwechselnd  verschiedenen Ressourcen

• CPU
• I/O(Storage, Netzwerk, Optical Drive)

deshalb nennt man die Prozesse die Hauptsächlich rechnen

• CPU bound (Compute bound) 

und die jenigen mit viel I/O Zeit

• IO bound

• non-preemptive (nicht verdrängend)
• preemtive (verdrängend)

Ein Prozess kann und wird den CPU solange wervenden bis er blockiert wird (IO wait) oder der prozess seine Arbeit erledigt hat.

Es benötigt ein Zeitgeber (clock) und Unterbrüchen (interrupts)

Der wechsel zwischen den Prozessen. Die Prozesse erlangen die CPU bei preemtive immer nur für eine feste Zeitscheibe. Deshalb ist auch eine Clock und Interrupts voraussetzung

• möglich hohe CPU Auslastung (Utilization)
• Durchsatz (throuput)
• Ausführungszeit (turnaround time)
• Wartezeit (waiting time)
• Antwortzeit(repsonse time)

• Stapelverarbeitung
• Interaktivität
• Echtzeit

• Throughput
• Ausführungszeit (turnaround time)
• Utilization (CPU Auslastung)