Programme laufen im Speicher des Rechners Jedes Programm erhält eigenen Beriech (Durch BS geregelt) Benötigt Schutzmechanismus, der die Programme voneinander trennt. Memory Management Unit (MMU) bildet die virtuellen Adressen des Programms im Speicher ab.

Prozess = in Ausführung befindliches Programm Benötigt: Adressraum im Speicher und Registerinhalte Prozesse kommunizieren (neue erstellen oder beenden) Werden "quasi" gleichzeitig ausgeführt. Pseudoparallelität: Context-Switching Schedulingalgorhitmus bestimmt wann werlcher ausgeführt wird. Prozess ist nicht reproduzierbar (verschachtelung)

Wenn 2 oder mehr Prozesse um eine Ressource konkurenzieren kommt es zum Stau (Deadlock) BS soll dies verhindern

Daten auf Massenspeicher müssen eine Struktur für den komfortablen Zugriff haben. BS ist für Filesystem zuständig baumartige Struktur mit Wurzelverzeichniss (ROOT) Pfade aktuelles Verzeichniss Berechtigungen

Pseudofile über welches 2 Prozesse kommunizieren können entspricht einer Queue auf die gleichzeitig lesend und schreiben zugegriffen werden kann

BS hat üblicherweise einen Kommandointerpreter Direkter aufruf von OS kommandos

Anwendungsprogramme verwenden BS-funktionen über System Calls sind meist ins Bibliotheken eingebettet Kontrolle geht an BS über vom Usermode zum Kernel mit trap-anweisungen und zurück

Parallele ausführung im selben adressraum unterteilung eines Prozesses in kleiner unterprozesse weniger aufwändig als Prozesse Hyper-Threading eine CPU wird erweitert dass mehrer Threads- gleichzeitig ausgeführt werden. benötigt komplexes stuerwerk nur teile der architektur doppelt vorhanden

"Schranke" für kritischen Bereich Integer-Variable, auf die über 2 unteilbare Operationen zugegriffen wird. Down-Operation, P(s) Passieren falls Semaphor = 0, dann sleep erniedrige Semaphor wenn >0 Up-Operation, V(s), Verhindern erhöhe Semaphore und wecke einen Prozess wieder auf

Monitore lösen das Koordinierungsproblem vom wechselseitigen auschluss auf einer höheren Ebene, und kapseln Prozeduren, Daten, und Variablen Der Zugriff auf Monitore ist nur über die dort definierten Prozeduren möglich. Zu jeder Zeit kann sich nur ein Prozess im Monitors aufhalten. Der Compiler erzeugt den entsprechend Monitorcode

Spezialfall für IPC, besonders im verteilten Fall kein zugriff auf gemeinsam ressourcen sondern direkte übermittlung von Infos realisierbar über Systemaufrufe send(destination, &message) recieve(source, &message)

Bewerben sich mehrer Prozesse um die CPU, entscheidet der cheduler welcher Prozess rechenzeit erhält Nonpreemtiv: ein Prozess rechnet solange bis er fertig ist Preemtive der Scheduler nimmt dem Prozess die CPU nach einer eit wieder weg

Computer and Network Architecture

Betriebssysteme

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Stefan Winterberger

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Stefan Winterberger

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Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der Computer- und Netzwerkarchitektur auf Universitätsniveau. Sie behandeln zentrale Themen wie Prozesse, Speicherverwaltung, Interprozesskommunikation (IPC), Betriebssystemfunktionen und Hardware-Interaktionen. Besonders hervorgehoben werden Konzepte wie Scheduling, Mutexe, Semaphore, Threads und die Verwaltung von Ressourcen. Diese Karteikarten sind ideal für Studierende und IT-Profis, die ihr Verständnis der Systemarchitektur vertiefen möchten, insbesondere in Bezug auf die effiziente Nutzung von CPU, Speicher und I/O-Geräten.

Flashcards

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German

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Aufgaben des Betriebssystems

Verwaltenund (zuteilen, Multiplexing) und ansteuern der Hardware (I/O-Geräte, Speicher, etc.)
Virtuelle Maschine die mächtiger ist als der Rechner selbst. (bsp. Datesystem etc.)
Verwalten von Benutzerrechten (Multiuser)

Programm im Speicher

Programme laufen im Speicher des Rechners
Jedes Programm erhält eigenen Beriech (Durch BS geregelt)
Benötigt Schutzmechanismus, der die Programme voneinander trennt.
Memory Management Unit (MMU) bildet die virtuellen Adressen des Programms im Speicher ab.

Interaktion mit I/O geräten

Das betriebssystemm greift auf die Treiber zu
Gerätetreiber sind Systemabhängig:
- statisch integriert im OS-Kern
- Einbindung über Tabellen
- Plug and Play (dynamisches Laden)
- Treiber greiffen auf den Controller zu.
Gerätecontroller
- Stellt Schnitstelle zum gerät bereit:
- bsp. rotation der HDD etc.

Busy Waiting / Interrupts

Busy Waiting (Polling)
- System Call des BS wird an Treiber geleitet,
- Treiber mach solange anfrage an Controller bis Befehl ausgeführt wurde.
- Ist zu vermeiden da Ressource die ganze Zeit belegt bleibt.
Interrupts
- Nach der übermittlung der Anfrage geht Kontrolle an OS zurück und kann weiterarbeiten.
- Anwendung wird blockiert bis interrupt des Geräts kommt.

Direct Memory Access (DMA)

spezieller DMA-Chip übernimmt/liefert Daten firekt zwischen Gerätecontroller und Hauptspeicher
CPU teilt vorher DMA-Chip erforderliche Infos mit (von wo nach wo und wieviel)
entlastung der CPU
Interrupt erst nach abschluss des Transfers

Rechnerkonfiguration für Geräte

BS benötigt Infos über Interruptlevel (Priorität) und I/O-Adressen
Früher: statische Festlegung
Heute (PCI-Bus) Dynamische zuweisung zur Laufzeit
Hilfsmittel: BIOS (ESCD: Extended System Config Data)

Prozesse

Prozess = in Ausführung befindliches Programm
Benötigt: Adressraum im Speicher und Registerinhalte
Prozesse kommunizieren (neue erstellen oder beenden)
Werden "quasi" gleichzeitig ausgeführt.
Pseudoparallelität: Context-Switching
Schedulingalgorhitmus bestimmt wann werlcher ausgeführt wird.
Prozess ist nicht reproduzierbar (verschachtelung)

Deadlocks

Wenn 2 oder mehr Prozesse um eine Ressource konkurenzieren kommt es zum Stau (Deadlock)
- BS soll dies verhindern

Files / Filesystem

Daten auf Massenspeicher müssen eine Struktur für den komfortablen Zugriff haben.
BS ist für Filesystem zuständig
- baumartige Struktur mit Wurzelverzeichniss (ROOT)
- Pfade
- aktuelles Verzeichniss
- Berechtigungen

Pipes

Pseudofile über welches 2 Prozesse kommunizieren können
entspricht einer Queue auf die gleichzeitig lesend und schreiben zugegriffen werden kann

Shells

BS hat üblicherweise einen Kommandointerpreter
Direkter aufruf von OS kommandos

Systemaufrufe

Anwendungsprogramme verwenden BS-funktionen über System Calls
sind meist ins Bibliotheken eingebettet
Kontrolle geht an BS über
- vom Usermode zum Kernel mit trap-anweisungen und zurück

Prozess: Start/Ende/Zustände

Start
- Systeminitialisierung
- durch ander Prozesse
- durch benutzer
Ende
- normale beendigung
- durch fehler
- durch andere Prozesse
Zustände
- rechnend (running)
- rechenbereit (ready) benötigt CPU
- blockiert (blocked) wartet auf ereignis

Threads

Parallele ausführung im selben adressraum
unterteilung eines Prozesses in kleiner unterprozesse
weniger aufwändig als Prozesse

Hyper-Threading
- eine CPU wird erweitert dass mehrer Threads- gleichzeitig ausgeführt werden.
- benötigt komplexes stuerwerk
- nur teile der architektur doppelt vorhanden

Kommunikation zwischen Prozessen

Interprozesskommunikation (IPC)
konfliktfreier ablauf von prozessen
Gemeinsamer Speicher = kritischer Abschnitt
- gleichzeitiger zugriff muss verhindert werden

Semaphore

"Schranke" für kritischen Bereich
Integer-Variable, auf die über 2 unteilbare Operationen zugegriffen wird.
- Down-Operation, P(s) Passieren
  - falls Semaphor = 0, dann sleep
  - erniedrige Semaphor wenn >0
- Up-Operation, V(s), Verhindern
  - erhöhe Semaphore und wecke einen Prozess wieder auf

Mutexe (Mutual exclusion)

ist eine Variable mit 2 Zuständen (locked, unlocked)
beschreibend zustand der Ressource
Vor dem Zugriff auf die gemeinsame Ressource führt ein Prozess die Operation mutex_lock aus, anschliessend mutex_unlock
ein prozess der keinen Zugriff erhält suspendiert sich selbst

Monitore

Monitore lösen das Koordinierungsproblem vom wechselseitigen auschluss auf einer höheren Ebene, und kapseln Prozeduren, Daten, und Variablen
Der Zugriff auf Monitore ist nur über die dort definierten Prozeduren möglich. Zu jeder Zeit kann sich nur ein Prozess im Monitors aufhalten.
Der Compiler erzeugt den entsprechend Monitorcode

Message Passing

Spezialfall für IPC, besonders im verteilten Fall
kein zugriff auf gemeinsam ressourcen sondern direkte übermittlung von Infos
realisierbar über Systemaufrufe
- send(destination, &message)
- recieve(source, &message)

Scheuling

Bewerben sich mehrer Prozesse um die CPU, entscheidet der cheduler welcher Prozess rechenzeit erhält
Nonpreemtiv:
- ein Prozess rechnet solange bis er fertig ist
Preemtive
- der Scheduler nimmt dem Prozess die CPU nach einer eit wieder weg

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