BSA 1.SA

Statische Verfahrensvorschrift für die Verarbeitung.

eine unabhängige Einheit mit:

1. eigenem Kontext
2. eigenem Befehlszähler (Program Counter = PC)
3. einem internen Zustand

1. Prozessor wird zugeordnet
2. dynamische Folge von Aktionen
3. Zuständigkeitsänderungen

• Initialisierung des Systems
• Systemaufruf zum Erzeugen eines Prozesses durch einen anderen laufenden Prozess
• Benutzeranfrage, einen neuen Prozess zu erzeugen
• Initiierung einer Stapelverarbeitung (Batch-Job)

• ein bestehender Prozess (Vater) einen Systemaufruf zur Erzeugung eines neuen Prozesses (Kind) ausführt
• der Kindprozess erhält eine Kopie der Prozessumgebung des Vaters
• nach der Prozesserzeugung haben Vater- und Kindprozess getrennte Adressräume

1. Einprogrammbetrieb
2. Mehrprogrammbetrieb

Große Leerlaufphasen der CPU durch Warten auf I/O (Input / Output), z.B. Warten auf Benutzereingabe

• „Suspendierung“ eines Programms / Jobs ; Abarbeiten eines anderen

• CPU wechselt von Programm zu Programm, bzw. von Prozess zu Prozess

• Jeder Prozess (Programm) rechnet dabei im Bereich zwischen 1 bis 100 Millisekunden (ms)

• Zu jedem Zeitpunkt läuft nur ein Programm auf CPU

  • Durch schnelles Umschalten (Kontextwechsel) entsteht der Eindruck von Parallelität, in Wirklichkeit aber nur   Pseudoparallelität
  • Echte Parallelität nur in Multiprozessorsystemen /MultiCore-CPU

- Programm-Umgebung (System Kontext)

• Programmcode des laufenden Prozesses (Programmsegmente)
• Daten (Datensegmente), dynamisch erzeugte Daten (im Heap)
• geöffnete Dateien
• lokale Variable, Rücksprungadressen (im Stack)

- Registerinhalte (auch Hardware-Kontext)

• PSW
• Befehlszähler, Mehrzweckregister
• MMU-Register

Verwaltungstabelle des BS

- ein Eintrag = Process Control Block (PCB) !!!!! GANZ Wichtig !!!!

- Bs-abhängige Datenstruktur

• Hardwarekontext
• Inf. Zur Identität, PID, PPID
• Inf. Zum aktuellen Prozessstatus
• Programmzähler
• Prozesszustand
• Initial-(statisch) / dynamische Priorität
• Systemkontext
• Inf. Zu zugeordneten Betriebsmitteln
• Prozessor
• Speicher
• geöffnete Dateien
• Netzwerkverbindungen, etc.
• aktuelle Registerinhalte

Prozesse konkurrieren um knappe Betriebsmittel wie die CPU und den RAM (Hauptspeicher).

Viele Aufträge.

Den Rechenbereite Prozesse warten in der Ready Queue des Betriebssystems auf Zuteilung der CPU.

• Was soll die CPU als nächstes tun?
• Welcher Prozess / Auftrag erhält als nächstes Rechenzeit auf der CPU?

Ring 0

1. Stapelverarbeitung (Batchsystem)
2. Interaktion (Dialogsystem)
3. Echtzeit

• keine ungeduldigen Benutzer, die warten müssen
• nicht unterbrechende Algorithmen oder lange Zeiten pro Prozeß
• weniger Prozeßwechsel
• verbesserte Geschwindigkeit hoher Durchsatz

• Unterbrechen notwendig, um „Prozeßalleingänge“ zu verhindern
• schnelle Antwortzeiten

• Unterbrechungen werden manchmal nicht gebraucht (Prozesse wissen dass sie nicht lange laufen dürfen)

Der Scheduler übernimmt die Plannung der Betriebsmittel-/CPU-Zuweisung.

Der Dispatcher ist für die Durchführung des Kontextwechsels zuständig.

1. Scheduler wählt einen Prozess aus Ready Queue aus & Dispatcher bringt ihn auf CPU zur Ausführung (PCB->CPU-Register)
2. Dispatcher legt Prozess schlafen, nachdem er seine Zeitscheibe verbraucht hat (Multitasking / Timesharing) (CPU-Register->PCB des BS im RAM, Prozess in Ready-Queue)
3. Prozess macht blockierenden Systemaufruf (I/O)  und wartet blockiert in Blocked Queue auf Nutzer-Eingabe oder Rückmeldung  von Hardware nach Auftrag
4. Nutzer-Eingabe ist verfügbar, Hardware meldet per Interrupt  Vollzug des Auftrags => Prozess wird vom BS wieder in Ready-Queue eingefügt

1. Neuen PCB für Prozess (WORD) in der Prozesstabelle Anlegen.
2. Neuen Prozessadressraum 400 MB im RAM anlegen.
3. Laden von DS , CS und SS im Prozessadressraum im RaM anlegen. / Code aus Datei Word.exe von Festplatte im Ram laden.
4. Prozess (word) in ReadyQueue legen damit der Scheduler Word auswählen kann.

1. Ankunftszeit des Prozesses = a
2. Startzeit des Prozesses = s
3. Unterbrechungszeit des Prozesses = u
4. Wartezeit des Prozesses = w
   • w = s - a + u
5. Rechenzeit des Prozesses = t
6. Verweilzeit des Prozesses = v
   • v = w + t
7. Mittlere Wartezeit für n Prozesse = W mit ~
8. Mittlere Verweilzeit für n Prozesse = V mit ~

• Fairness: Jeder Prozess erhält gleich viel Rechenzeit
• CPU-Auslastung Effizienz durch möglichst volle Auslastung der CPU
• Durchsatz optimieren (viele Prozesse pro Zeiteinheit rechnen)
• Wartezeit w von Prozessen minimieren
• Verweilzeit v (Durchlaufzeit) eines Prozesses minimieren
• Antwortzeit minimieren
• Vorhersehbarkeit( bei Echtzeitsystemen)

Alle Systeme (Batchorientiert/Dialog  / Echtzeit) brauchen:

• Fairness: Jeder Prozess erhält gleich viel Rechenzeit
• Geringe Wartezeit (Effizienz)

I) Batchorientierte/rechenintensive Systeme (Großrechner)

    brauchen:

• CPU-Auslastung, Durchsatz, kleine Wartezeit
         => Scheduling-Verfahren: FCFS, SJF,…

II) Dialogsysteme (Desktop BS) brauchen:

• geringe Warte- & Verweilzeit, kurze Antwortzeit

=> Preemptives Scheduling mit Zeitscheiben-Verfahren
        (Round Robin)

III) (Embedded) Echtzeit-Systeme brauchen:

• Vorhersehbarkeit, garantierte Warte- & Verweilzeit
       =>Scheduling nach Prioritäten

First come first Serve

• Prinzip
  • Prozesse bekommen den Prozessor entsprechend ihrer Ankunftsreihenfolge zugeteilt
  • keine Abhängigkeiten zwischen den Prozessen
  • Laufende Prozesse werden nicht unterbrochen
• Eigenschaften
  • Nicht-verdrängend
  • Fair (jeder Prozess komt dran)
  • Einfache Implementierung
• Die mittlere Wartezeit kann unter Umständen sehr hoch werden

Shortest Job first

• Prinzip
  •  Es wird jeweils der Prozess mit der kürzesten Rechenzeit als nächstes gerechnet.
  • keine Abhängigkeiten zwischen den Prozessen
  • Laufende Prozesse werden nicht unterbrochen
• Eigenschaften
  • Nicht-verdrängend
  • Nicht fair (kurze Prozesse können lange Prozesse überholen)
• kurze Prozesse werden bevorzugt behandelt

Bei interaktiven Systemen (Desktop-BS) im Dialogbetrieb sind 1 oder mehrere Benutzer direkt mit Computer verbunden

kurze Teilaufträge in schneller Folge Benutzer erwarten zügige Bearbeitung mehrere Aufträge parallel Auftrag kann vom Benutzer interaktiv gestaltet werden  Desktop- und Server-Betriebssysteme  wie Windows und Linux / Unix sind  interaktive Systeme.

• gerade ablaufendes Anwenderprogramm hat volle Kontrolle über Computer
• Nur dieses Programm ist im Speicher (RAM)
• Rechner mit geringer Prozessorleistung oder kleine Spezialrechner können nicht gleichzeitig mehrere Programme laufen lassen.
• Bevor das gerade laufende Anwenderprogramm beendet wird, hat das BS von sich aus keine Chance aktiv zu werden. 

• Jeder Prozess bekommt nacheinander ein Quantum Rechenzeit auf dem Prozessor
• Einem rechnenden Prozess wird der Prozessor nach Abarbeitung seiner Zeitscheibe entzogen (peemptives BS)
• aufteilung siehe Bild
• zu große Scheibe führt zu langer Verarbeitungszeit
• Scheduler &Dispatcher verbrauchen bei kleinem Quantum zuviel Zeit(je 1 ms)pro Prozesswechsel Neuberechnung der Prioritäten 2x pro Sekunde

Präaemptives Scheduling: Verdrängendes Verfahren

• Unterbrechung und Prozesswechsel

Nicht / Non Präaemptives Scheduling: nicht Verdrängendes Verfahren

• Prozess wird Ausgeführt bis Fertig

Gesamte Funktionalität des BS im Kernel enthalten und somit auf Ring 0 somit hohe Geschwindigkeit.

• Anwendungs IPC
• Gerätetreiber
• Interprozesskommunikation
• Prozessverwaltung
• Speicherverwaltung
• Syncronistaion
• Dateisystem
• UNIX-Server

Schwer wartbar, Komponenten schlecht austauschbar.

Außerhalb nur Hardware und Anwendungen

Nur notwendige Funktionen im Kernel deswegen stabil & flexibel.

• Interprozesskommunikation
• Prozessverwaltung
• Speicherverwaltung
• Syncronistaion

Leicht wartbar, Komponenten leichter austauschbar. Gerätetreiber, Dateisystem usw. Ausgelagert.

Hierbei wird versucht die Vorteile des Monolitischen und des Mikrokernel zu vereinen.

• Anwendungs IPC
• Gerätetreiber
• Interprozesskommunikation
• Prozessverwaltung
• Speicherverwaltung
• Syncronistaion

Außerhalb befindet sich z.B. das Dateisystem und UNIX-Server sowie Hardware und Anwendungen

siehe Bild