IUK101 Betriebssysteme - Architektur und Funktionsprinzipien

Er enthält alle Informationen, die ein Prozess aktuell in der Hardware gespeichert hat.

• Modularität und Portierbarkeit
• Erweiterbarkeit
• Konfigurierbarkeit
• Skalierbarkeit
• Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz
• Transparenz

process control block

Ein Prozess ist ein Container, in dem die Threads ablaufen.

Ein Thread ist ein Ausführungsfaden, der in einem Prozess abläuft.

• Die einzelnen Komponenten sollen modular aufgebaut sein
• Es müssen klar definierte Schnittstellen existieren
• Die Portierbarkeit des Systems auf eine andere Hardware muss gegeben sein

Hier existieren zu einem Zeitpunkt gleichzeitig mehrere Prozesse. Diese befinden sich irgendwo zwischen dem Zeitpunkt ihrer Erzeugung und dem ihrer Beendigung.

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.

Unter Interprozesskommunikation (Inter Process Communication, IPC) versteht man den zielgerichteten Austausch von Informationen zwischen parallelen Prozessen.

Der Prozess wartet auf die Erfüllung einer Bedingung (bspw. Tastatureingabe)

• Monolithische Struktur
• Kern-Schalen-Architektur
• Schichtenmodell
• Mikrokern-Architektur

• Koordinierungsprinzip
  • prozedurorientiert
  • nachrichtenorientiert
  • prozessorientiert
• Lokalisierung der Steuerprozeduren
  • dezentral
  • zentral
• Warten
  • aktives Warten
  • passives Warten

Bestimmte Komponenten eines Betriebssystems sollten sich austauschen bzw. anpassen lassen.

• Betriebssart (Stapelbetrieb, Dialogbetrieb etc.)
• Anzahl der Benutzer (bspw. single user system)
• Anzahl gleichzeitiger Aufträge

• 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.

• Ereignissynchronisation
• Interprozesskommunikation (IPC)

• 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

• 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

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.

Die einzelnen Prozesse erhalten den (einzigen) Prozessor abwechselnd und werden so schrittweise vorangetrieben (-> Quasi-Parallelität)

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.

• Die Prozesswechselzeiten sind kürzer als zwischen normalen Prozessen
• Die gemeinsame Nutzung von Betriebsmittel wird erleichtert

• 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

Eine Benutzerschnittstelle (user interface) dient der Interaktion zwischen Benutzer und System.

• Auslastung der CPU (Ziel 100%)
• Durchsatz (throughput) Jobs pro Zeiteinhalt max.
• Faire Behandlung (fairness)

• Benutzer-Kontext
• Hardware-Kontext
• System-Kontext

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)

Semaphor

Protokolle sind Steueralgorithmen für parallele Prozesse zum Zweck der Koordinierung ihrer Abläufe.

• 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.

• 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.

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.

Zu einem Zeitpunkt kann nur ein einziger Auftrag durch das System bearbeitet werden.

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."

Das System sollte stabil funktionieren und bspw. eine Toleranz bei Fehleingaben haben.

siehe Bild

• speicherbasierte Kommunikation
• nachrichtenbasierte Kommunikation

• Die Interaktion mit dem Benutzer erfolgt über bspw. grafische Oberflächen oder Tastatureingaben auf Kommandozeilenebene
• Die Antwortzeiten liegen im Durchschnitt im Bereich akzeptabler Werte