IUK101 Betriebssysteme - Architektur und Funktionsprinzipien
Lernkarten zum Fachbereich Informations- und Kommunikationssysteme des Studiengangs Wirtschaftsinformatiker FH
Lernkarten zum Fachbereich Informations- und Kommunikationssysteme des Studiengangs Wirtschaftsinformatiker FH
Was beinhaltet der Hardware-Kontext einer Prozessbeschreibung?
Er enthält alle Informationen, die ein Prozess aktuell in der Hardware gespeichert hat.
Welche Anforderungen werden an die Architektur eines Betriebssystems gestellt?
- Modularität und Portierbarkeit
- Erweiterbarkeit
- Konfigurierbarkeit
- Skalierbarkeit
- Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz
- Transparenz
Für was steht das Kürzel PCB ?
process control block
Wie ist der Zusammenhang zwischen Prozessen und Threads?
Ein Prozess ist ein Container, in dem die Threads ablaufen.
Ein Thread ist ein Ausführungsfaden, der in einem Prozess abläuft.
Was versteht man unter der Anforderung von Modularität und Portierbarkeit an die Architektur eines Betriebssystems?
- Die einzelnen Komponenten sollen modular aufgebaut sein
- Es müssen klar definierte Schnittstellen existieren
- Die Portierbarkeit des Systems auf eine andere Hardware muss gegeben sein
Was versteht man unter dem Begriff Multitasking?
Hier existieren zu einem Zeitpunkt gleichzeitig mehrere Prozesse. Diese befinden sich irgendwo zwischen dem Zeitpunkt ihrer Erzeugung und dem ihrer Beendigung.
Wie lautet die Definition einer Programmierschnittstelle?
Die Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API) definiert in ihrer Syntax und Semantik diejenigen Funktionen des Betriebssystems, die ein Programmierer in Form von Systemdiensten (system services) bzw. Systemaufrufen (system calls) benutzen kann, um sie in seine Programme einzufügen.
Was versteht man unter einer Interprozesskommunikation?
Unter Interprozesskommunikation (Inter Process Communication, IPC) versteht man den zielgerichteten Austausch von Informationen zwischen parallelen Prozessen.
Beschreiben Sie den Prozesszustand wartend (waiting)
Der Prozess wartet auf die Erfüllung einer Bedingung (bspw. Tastatureingabe)
Nach welchen Architekturmodellen wird ein Betriebssystem unterschieden?
- Monolithische Struktur
- Kern-Schalen-Architektur
- Schichtenmodell
- Mikrokern-Architektur
Nach welchen Kriterien lassen sich Protokolle (Prozesse) klassifizieren?
- Koordinierungsprinzip
- prozedurorientiert
- nachrichtenorientiert
- prozessorientiert
- Lokalisierung der Steuerprozeduren
- dezentral
- zentral
- Warten
- aktives Warten
- passives Warten
Was versteht man unter der Anforderung von Konfigurierbarkeit an die Architektur eines Betriebssystems?
Bestimmte Komponenten eines Betriebssystems sollten sich austauschen bzw. anpassen lassen.
Nach welchen Merkmalen werden Betriebssysteme klassifiziert?
- Betriebssart (Stapelbetrieb, Dialogbetrieb etc.)
- Anzahl der Benutzer (bspw. single user system)
- Anzahl gleichzeitiger Aufträge
Welche Lösungsprinzipien kommen beim Konkurrenzverhalten parallel ablaufender Prozesse mit kritischen Abschnitten zum Einsatz?
- Die Prozesse dürfen nicht gleichzeitig in ihren kritischen Abschnitten sein (mutual exclusion)
- Jeder Prozess, der am Eingang eines kritischen Abschnittes wartet, muss irgendwann den Abschnitt auch betreten dürfen: kein ewiges Warten darf möglich sein (fairness condition)
- Ein Prozess darf außerhalb eines kritischen Abschnittes einen anderen Prozess nicht blockieren
- Es dürfen keine Annahmen über die Abarbeitungsgeschwindigkeit oder Anzahl der Prozesse bzw. Prozessoren gemacht werden.
Welche zwei Lösungsprinzipien kommen bei der Kooperation paralleler Prozesse zum Einsatz?
- Ereignissynchronisation
- Interprozesskommunikation (IPC)
Welche Eigenschaften hat die Scheduling-Strategie Round Robin (RR)?
- Die Jobs werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens in eine Warteschlange eingereiht
- Die Abarbeitung erfolgt nur eine Zeitscheibe (time sharing): Jeder Prozess bekommt abwechselnd die Prozessor für eine gewisse Zeit t zugewiesen
- Die Zuteilung der Zeit t ist von der Umschaltzeit des Kontexts abhängig
Welche Eigenschaften hat der Echzeitbetrieb eines Betriebssystems?
- Die Aufträge stammen direkt aus einem techn. Prozess bspw. Sensor oder Bediener
- Die Betriebsart regelt, steuert und überwacht den techn. Prozess
- Die Antwortzeiten liegen unterhalb eines Grenzwerts
- Die Einhaltung von Zeitbedingungen spielt hier eine große Rolle
Bei welcher Betriebsart sind die Antwortzeiten praktisch unbegrenzt?
Warum ist es wichtig, sich als Programmierer einer Anwendung für ein Multitasking-Betriebssystem um eine geeignete Koordinierung der Anwendungsprozesse zu kümmern?
In einem System paralleler (Anwendungs-)Prozesse können grundsätzlich zahlreiche Wechselwirkungen auftreten, die evtl. zu unerwünschten Ergebnissen führen. Deshalb ist eine geeignete Beeinflussung der Prozesse durch den Entwickler/Programmierer nötig. Neben (ungewollten) Konkurrenzsituationen müssen dabei auch die (gewollten) Kooperationsbeziehungen umgesetzt werden.
Was versteht man unter dem Begriff von Nebenläufigkeit von Prozessen?
Die einzelnen Prozesse erhalten den (einzigen) Prozessor abwechselnd und werden so schrittweise vorangetrieben (-> Quasi-Parallelität)
Nennen Sie die versch. Strategien für das Prozessor-Scheduling.
- First Come First Served (FCFS)
Zuteilung erfolgt nach Reihenfolge des Eintreffens der Aufträge (nichtverdrängend) - Shortes Job First (SJF)
setzt Bearbeitungszeit des Jobs voraus und teilt den Prozessor dem laufbereiten Prozess mit der kürzesten "Rechenzeit" zu (nichtverdrängend) - Round Robin (RR)
Alle laufbereiten Prozesse erhalten reihum jeder für eine festgelegte Zeitdauer (= Zeitscheibe) den Prozessor zugeteilt. (verdrängend) - Feste, statische Prioritäten
Jeder Prozess erhält für die Dauer seiner Existenz eine Prio fest zugeordnet. Die Zuteilung erfolgt verdrängend immer an den laufbereiten Prozess mit der aktuell höchsten Prio. Für niedrig priorisierte Prozesse besteht die Gefahr des "Verhungerns" - Dynamische Priorität
Prio eines Prozesses ist änderbar. Änderbar durch außen (über API) oder von innen - Zeitabhängige Verfahren
Berücksichtigen die Wichtigkeit eines Prozesses in Abhängigkeit von Zeitbedingungen, deren Einhaltung für die Prozesse gesichert werden soll.
Was versteht man unter Synchronisation von Prozessen?
Eine Beeinflussung von parallelen Prozessen in der Art, dass sie hinsichtlich ihres zeitlichen Ablaufs innerhalb des Gesamtsystems in eine gewisse Reihenfolge gebracht werden, nennt man Synchronisation. Die erreichte Reihenfolge kann durchaus zufällig, aber auch vorherbestimmt sein.
Nennen Vorteile von Threads.
- Die Prozesswechselzeiten sind kürzer als zwischen normalen Prozessen
- Die gemeinsame Nutzung von Betriebsmittel wird erleichtert
Welche Aufgaben hat die Speicherverwaltung?
- Die Bereitstellung und Zuteilung von Speicherbereichen an Prozesse sowie deren Rücknahme und ggf. ihr Entzug
- Eine effiziente Verwaltung freier belegter Speicherbereiche
- Das Verbergen von (technischen) Beschränkungen
- Maßnahmen zum Schutz vor unerlaubten Zugriffen
Was versteht man unter einer Benutzerschnittstelle?
Eine Benutzerschnittstelle (user interface) dient der Interaktion zwischen Benutzer und System.
Welche Ziele verfolgt das Scheduling?
- Auslastung der CPU (Ziel 100%)
- Durchsatz (throughput) Jobs pro Zeiteinhalt max.
- Faire Behandlung (fairness)
Welche Bestandteile hat eine Prozessbeschreibung (Kontext)?
- Benutzer-Kontext
- Hardware-Kontext
- System-Kontext
Erläutern Sie die Scheduling-Strategie non-preemptive
Hier wird über eine Neuzuteilung der Ressource erst entschieden, wenn der aktuelle Prozess die Ressource selbst wieder an das System zurückgibt.
(Multitasking nur beschränkt möglich)
Wie heißt das Lösungsmittel beim Konkurrenzverhalten parallel ablaufender Prozesse mit kritischen Abschnitten?
Semaphor
Bei welcher Betriebsart kommt es sehr auf die Einhaltung von Zeitbedingungen an?
Was versteht man unter Protokolle bei Prozessen?
Protokolle sind Steueralgorithmen für parallele Prozesse zum Zweck der Koordinierung ihrer Abläufe.
Welche Bedinungen existieren für das Eintreten von Verklemmungen (deadlocks) ?
- Die Prozesse nutzen die Ressourcen exklusiv
- Einem Prozess können bereits zugewiesene Ressourcen nicht entzogen, sondern sie müssen von ihm selbst freigegeben werden
- Die Prozesse fordern irgendwann weitere Ressourcen nach, ohne zuvor die bisher bereits belegten Ressourcen freizugeben
- Die Prozesse fordern die betreffenden Ressourcen in unterschiedlicher Reihenfolge an und geraten mit diesen in eine welchselseitige zirkuläre Abhängigkeit, die sich als geschlossener Kreis im Betriebsmittelgraphen zeigt.
Wenn zufällig gerade alle Bedingungen erfüllt sind und ein geschlossener Kreis entsteht, besteht die Gefahr für die Entstehung von deadlocks.
Durch welche Eigenschaften ist eine monolithische Struktur eines Betriebssystem gekennzeichnet?
- Gekennzeichnet durch Unordnung vieler Funktionen, die alle sichtbar sind
- Betriebssysteme können sehr effizient implementiert werden
- Betriebssysteme lassen sich kaum oder nur mit großem Aufwand ändern bzw. anpassen.
Was versteht man unter dem Begriff Parallelität bei Multitasking?
Hier existieren mehrerer Prozesse zu einem Zeitpunkt, jedoch bezieht sich die Parallelität nur auf die Existenz dieser Prozesse und nicht auf deren Bearbeitung! Eine echte Parallelität existiert nur bei Multiprocessing.
Welche Eigenschaft hat ein Einzelprozess-System?
Zu einem Zeitpunkt kann nur ein einziger Auftrag durch das System bearbeitet werden.
Wie lautet die Definition eines Betriebssystems in Anlehnung an DIN44300?
Das Betriebssystem (operating system) stellt das Bindeglied zwischen der Hardware und dem Anwender bzw. dessen Anwendungsprogrammen dar. Gleichzeitig bietet es dem Benutzer zahlreiche Dienste in Form von Programmen bzw. Kommandos an, die zusammen mit den Eigenschaften des Computers "die Grundlage der möglichen Betriebsarten dieses Systems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen."
Was versteht man unter der Anforderung von Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz an die Architektur eines Betriebssystems?
Das System sollte stabil funktionieren und bspw. eine Toleranz bei Fehleingaben haben.
Welche Probleme können auftreten
Versuchen Sie, diese Probleme mit einem Semaphor zu
lösen. Wie könnte ein Code-Fragement aussehen
siehe Bild
Welche zwei Arten kennt die Interprozesskommunikation (IPC) ?
- speicherbasierte Kommunikation
- nachrichtenbasierte Kommunikation
Welche Eigenschaften hat der Dialogbetrieb eines Betriebssystems?
- Die Interaktion mit dem Benutzer erfolgt über bspw. grafische Oberflächen oder Tastatureingaben auf Kommandozeilenebene
- Die Antwortzeiten liegen im Durchschnitt im Bereich akzeptabler Werte
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Flashcards
Was versteht man unter einer Prozessbeschreibung?
Der Kontext eines Prozesses enthält alle zu seiner Existenz und Verwaltung im Betriebssystem erforderlichen Informationen und charakterisiert ihn daher eindeutig und vollständig.
Beschreiben Sie den Prozesszustand aktiv (running)
Der Prozess hat den Prozessor zugeteilt bekommen und schreitet voran.
Was enthält der PCB ?
- Scheduling-Parameter
- Speicherreferenzen: Code-, Daten-, Stackadressen im Haupt- bzw. Massenspeicher
- Signaldaten: Masken, Zustände
- Verschiedenes: Prozesszustand, erwartetes Ereignis, Timerzustand, PID, PID der Eltern, User/Group-IDs
Welche Aufgaben hat ein Betriebssystem?
- Anpassung der Leistung an die Bedürfnisse der Benutzer
- Organisation und Steuerung der Betriebsabläufe
- Verwaltung von Ressourcen
- Schutzmaßnahmen
- Protokollierung
Welche Formen von Benutzerschnittstellen gibt es?
- Kommandosprachen
- Text-Menüs
- Bildschirm-Masken
- Grafische Benutzungsoberflächen (GUI)
Welche vier Mittel nutzt die nachrichtenbasierte Kommunikation bei der Interprozesskommunikation (IPC) ?
- Pipes
- Nachrichtenwarteschlangen (message queues)
- Sockets
- Entfernter Prozeduraufruf (Remote Procedure Call, RPC)
Welche Verfahren sind gleichermaßen fair zu allen Prozessen?
Durch welche Eigenschaften ist eine Mikrokern-Architektur eines Betriebssystem gekennzeichnet?
- Der Kern enthält nur die unbedingt nötigen Basisfunktionen und ist dadurch kleiner und effizienter
- Die Dienstprozesse übernehmen Teilaufgaben, die nicht unbedingt im Inneren des Kerns erbracht werden müssen
- Die Dienstprozesse lassen sich einfach modifizieren oder austauschen, wodurch das System sehr flexibel wird
- Die Kommunikation zwischen Anwendungsprozess und Dienstprozess erfolgt nach dem Client-Server-Modell
Nennen Sie einige konkrete Aktionen, die ein Betriebssystem ausführen muss, wenn es ein Prozess beendet.
- Änderung des Zustands
- Freigabe der ggf. noch belegten Ressourcen
- Freigabe des PCBs
- Freigabe des Identifikators
Welche zwei Formen der Implementierung von Threads gibt es?
- User-Level-Thread (Aus Sicht des Programmierers)
- Kernel-Level-Thread (Aus Sicht des Betriebssystems)
Was versteht man unter Koordination von Prozessen?
Eine geeignete Beeinflussung der Abläufe in einem System aus parallelen Prozessen mit dem Ziel, die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu beherrschen, d.h. sie so zu gestalten, dass die Ergebnisse in jedem Fall den Anforderungen des Benutzers entsprechen, nennt man Koordinierung. Dazu werden dem Programmierer durch das Betriebssystem verschiedene Mittel zur Synchronisation bzw. Kommunikation angeboten.
Welche Gegenmaßennahmen zur Entstehung von deadlocks gibt es?
- Mit Datenpufferung/Spooling Exklusivität unterlaufen: Dem Prozess wird nicht die Möglichkeit gegeben, die Ressource exklusiv zu nutzen, sondern muss den jeweiligen Systemdienst (Spooler) benutzen
- Gleichzeitige Anforderung der Betriebsmittel: Ein Prozess darf nur einmal zu Beginn alle nötigen Ressourcen auf einmal anfordern, bzw. muss warten, bis alle frei sind (one shot allocation)
Probleme: dynamischer Ressourcen-Bedarf, Aushungerung von Prozessen, Ressourcenverschwendung - Zwang, Ressourcen freizugeben:
Bei Nichterfüllung der Ressourcen-Anforderung, muss der Prozess sämtliche belegten Ressourcen freigeben und kann dann die zusätzlich gewünschten Ressourcen neu anfordern
Probleme: Konsistenz von Dateien, Rechenzeitverschwendung durch Neuberechnung, Aushungerung - Zirkuläre Freigabe der Betriebsmittel:
Betriebsmittel nur in einer festgelegten aufsteigenden Reihenfolge anfordern, sonst müssen alle höher angeordneten Ressourcen freigegeben werden
Probleme: richtige Festlegung der Reihenfolge, Stabilität der Nummerierung, Notwendigkeit des Anerkennens der Regel durch alle Prozesse
Was versteht man unter der Ereignissynchronisation bei der Kooperation von Prozessen?
Die Ereignissynchronisation (bzw. Zustandssychronisation) ist eine einfache Methode zur Koordinierung paralleler Prozesse mit dem Ziel der Kooperation. Die dafür einzuhaltenden Reihenfolgebeziehungen (Präzedenzen) ergeben sich logisch aus der zu lösenden Problemstellung und hängen von bestimmten Ereignissen (bzw. Zuständen) in den beteiligten Prozessen ab. Anhand dieser Ereignisse erfolgt dann die nötige Synchronisation.
Was beinhaltet der System-Kontext einer Prozessbeschreibung?
Er enthält alle innerhalb des Betriebssystems zur Verwaltung gespeicherten Informationen über einen Prozess.
Was versteht man unter der Anforderung von Erweiterbarkeit an die Architektur eines Betriebssystems?
Hierunter versteht man das Hinzufügen weiterer Eigenschaften oder Ressourcen, die zuvor nicht vorhanden waren (bspw. Installation Drittanbietersoftware)
Nenne Nachteile von Threads.
- Die Koordination der Threads und der Zugriff auf gemeinsame Betriebsmittel erfolgt nur durch den Programmierer
- Ein Wechsel zwischen Threads versch. Prozesse kostet genausoviel Zeit, wie ein normaler Prozesswechsel
Was versteht man unter Scheduling?
Unter Ablaufplanung (Scheduling) versteht man die Vorgehensweise des Betriebssystems bei der Zuteilung von Betriebsmitteln an Prozesse. Die Auswahl des für die Zuteilung am besten geeigneten Prozesses wird vom Scheduler (einer speziellen Komponente des Betriebssystems) anhand einer konkreten Strategie vorgenommen.
Was bedeutet die Abkürzung HAL ?
hardware abstraction layer
Wann warten Prozesse?
- auf den Prozessor (bereit)
- auf eine Nachricht (blockiert)
- auf ein Zeitsignal (blockiert)
- auf Daten des I/O-Geräts (blockiert)
Was versteht man unter einem Semaphor?
Ein Semaphor ist ein Objekt (abstrakter Datentyp), der eine globale Steuervariable und eine Warteliste für Prozesse enthält. Außerdem bietet dieses Objekt zwei Methoden an, die vom Erfinder ursprünglich nur p und v genannt wurden (für passieren und verlassen eines kritischen Abschnitts). Sie dienen der Realisierung des erforderlichen Vorprotokolls (p) und des Nachprotokolls (v).
Was versteht man unter einem kritischen Abschnitt bei Prozessen?
Diejenigen Verarbeitungsschritte eines Prozesses, in deren Verlauf ein exklusiver Zugriff zu einem Betriebsmittel erfolgt und die deshalb nicht parallel zu denselben Schritten eines anderen Prozesses ausgeführt werden dürfen, bilden einen kritischen Abschnitt (critical section/region)
Worin unterscheidet sich ein Programm von einem Prozess?
Während ein Programm eine statische Handlungsvorschrift ist, ist der Prozess durch seinen zeitlich veränderlichen Zustand gekennzeichnet.
Bei welcher Betriebsart erfolgt die Kommunikation mit dem Benutzer über eine grafische Oberfläche?
Bei welcher Betriebsart liegen die Antwortzeiten im Durchschnitt im Bereich akzeptabler Werte?
Welche Eigenschaften hat die Betriebsart Verteilte Verarbeitung bei Betriebssystemen?
- Charakterisiert durch Verbund von Ressourcen (bspw. Verbund mehrerer miteinander gekoppelter Computer)
- Das Betriebssystem bietet Dienste zur externen Kommunikation und damit zur Verteilung von Daten, Ressourcen und Arbeitslast an.
Wann tritt eine Konkurrenzsituation bei Prozessen auf?
Eine Konkurrenzsituation zwischen parallelen Prozessen tritt dann auf, wenn mindestens zwei Prozesse unabhängig voneinander dasselbe Betriebsmittel exklusiv benutzen wollen.
Welche zwei Varianten von Semaphoren gibt es?
- Binäre Semaphore: Steuervariable kennt nur true/false
- zählende Semaphore: Steuervariable kann neben Binärinformationen (0/1) auch weitere Ganzzahlwerte annehmen
Was enthält der auslagerbare Benutzer-Kontext?
- Prozessorzustand: Register
- Systemaufruf: Parameter, bisherige Ergebnisse, ...
- Datei-Info-Tabelle (file descriptor table)
- Benutzungsinfo: CPU-Zeit, max. Stackgröße, ...
Was ist ein Betriebssystem?
Ein Betriebssystem ist vor allem als Dienstleistungs- und Verwaltungseinrichtung anzusehen, jedoch beeinflusst es die Leistungsfähigkeit des gesamten System dadurch erheblich.
Es gehört zusammen mit einer Reihe weiterer Programme zur sogenannten Systemsoftware und bildet die Plattform, auf der Anwendungsprogramme entwickelt und ausgeführt werden können.
Beschreiben Sie den Prozesszustand nicht existent (non existing)
Der Prozess existiert noch nicht oder nicht mehr
Was versteht man unter dem Begriff deadlock?
Eine Verklemmung (deadlock) ist ein gefährlicher Zustand in einem System paralleler Prozesse, bei dem einige Prozesse derart wechselseitig aufeinander warten, dass grundsätzlich keiner von ihnen mehr voranschreiten kann.
Durch welche Eigenschaften ist ein Schichtenmodell eines Betriebssystem gekennzeichnet?
- es ist hierarchisch aufgebaut
- die Schichten sind klar voneinander abgegrenzt (ihr Inneres ist von außen nicht sichtbar)
- die unterste Schicht setzt direkt auf der Hardware des Systems auf
- die oberste Schicht ist meist eine Komponente zur Interaktion mit dem Benutzer
Was versteht man unter der Anforderung von Skalierbarkeit an die Architektur eines Betriebssystems?
Hierunter versteht man das Hinzufügen von weiteren Ressourcen zur Leistungssteigerung (bspw. zusätzl. Fesplatte, Clustering, etc)
Welche Ursachen gibt es für die Verdrängung?
- zeitgesteuerte Verfahren (time triggered)
die Verdrängung wird infolge einer Zeitunterbrechung ausgelöst - ereignisgesteuerte Verfahren (event triggered)
Auslöser für die Verdrängung ist ein besonderes Ereignis (bspw. neuer Auftrag mit höherer Prio)
Was versteht man unter der Anforderung von Transparenz an die Architektur eines Betriebssystems?
Ein Betriebssystem sollte möglichst viele Details seiner Arbeit und der Hardware verbergen.
Nach welchem Prinizip erfolgt die Kommunikation bei der Mikrokern-Architektur zwischen Anwendungs- und Dienstprozess?
Nach dem Client-Server-Modell
Durch welche Eigenschaften ist eine Kern-Schale-Architektur eines Betriebssystem gekennzeichnet?
- Der Kernel beinhaltet die "lebenswichtige" und hardwareabhängigen Komponenten des Systems (Prozessverwaltung, Speicherverwaltung, etc.) (Systemteil)
- Die Schale beinhaltet alle anderen Teile (Userteil)
Was beinhaltet der Hardware-Kontext einer Prozessbeschreibung?
Er enthält alle Informationen, die ein Prozess aktuell in der Hardware gespeichert hat.
Welche Anforderungen werden an die Architektur eines Betriebssystems gestellt?
- Modularität und Portierbarkeit
- Erweiterbarkeit
- Konfigurierbarkeit
- Skalierbarkeit
- Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz
- Transparenz
Für was steht das Kürzel PCB ?
process control block
