GTI-Grundlagen der technischen Informatik

Ist eine logische Adressierung zur effizienten Nutzung des physikalischen Speichers.

Memory Management Unit. Dient zur Umsetzung zwischen

logischen und physikalischen Adressen (address translation)

• Ein Prozess wird vom Betriebssytem erzeugt, wenn ein Programm gestartet wird. 

• Ein Prozess besteht aus mehr als nur Code. 

• Ein Prozess braucht Ressourcen wie Speicher, E/A Geräte, CPU usw. 

• Mehrere Prozesse können quasi Parallel laufen. Der CPU wird geteilt. Bei Multikern Prozessoren werden die Prozesse auf mehreren Prozessoren verteilt.

• Der Status eines Prozesses muss überwacht werden. 

Die Integrität des Speicherbereichs eines Prozesses muss gewährleistet werden, d.h. ein Prozess hat seinen eigenen Adressraum und kann nicht durch anderen Prozesen überschrieben werden. Die Variablen eines Prozesses sollen nicht von einem anderen Prozesses überschrieben werden.

• Laufende Prozesse (d.h. Programme + ihre Laufzeitumgebung) sind im Hauptspeicher geladen, damit der CPU die Befehle eines Programms adressieren kann.

• Das Data Segment eines Prozesses enthält die globalen Variablen eines Programms

Der Heap ist ein Speicherbereich, der vom Prozess benutzt werden kann um Speicher für Objekte, Arrays, usw. zur Laufzeit dynamisch zu allozieren. Der Prozess weiss nicht im Voraus, wie viel Speicher für den Heap benutzt wird. Ein Defaultgrösse wird reserviert. Der Heap kann zur Laufzeit wachsen und schrumpfen.

- Datenstruktur, der im Kern platziert wird.

-enthält:
    -Prozesscharakteristika (prozesskennung, name)
    -Zustandsinformationen (Befehlszähler, stapelzeiger, registerinhalte)
    -Verwaltungsdaten (priorität, rechte, Statistikdaten)

Ein PCB ist eine Datenstruktur, die von Betriebssystemen zum Speichern aller Informationen über einen Prozess verwendet wird. Es wird auch als Prozessdeskriptor bezeichnet. Wenn ein Prozess erzeugt wird, erstellt das Betriebssystem einen entsprechenden PCB.

Ein PCB enthält wichtige Information über einen laufenden Prozess wie eine Prozess-ID (PID), einen Status und Kontrollinformationen. Die PID ist wichtig, damit der Prozessverwaltungsprozess des Betriebssystems jeden Prozess eindeutig identifizieren kann und entsprechend handeln kann.

Ein Thread ist Teil eines Prozesses - eine nebenläufige Ausführungseinheit (preemptable execution unit) eines Prozesses Ein Prozess besteht aus mindestens einem Thread, kann aber aus mehreren Threads aufgeteilt werden, je nach Aufgabenstellung des Programms. Threads innerhalb eines Prozesses teilen dem gleichen Adressraum, die globalen Variablen werden gemeinsamgenutzt. Threads können unterscheidliche Prioritäten haben Thread-Kontext – Ein Thread erbt alle offenen Datein und Netzwerkverbindungen eines Prozesses Sie verfügen über einen eigenen Threadkontext, eigene Register und Befehlszähler – TCB – Thread Controlblock. Leichtgewichtig – weniger Kontextinformation brauchen, weniger Overhead für das Betriebssystem

In Multikernsysteme, gibt es eine echte Parallelität. Diese Eigenschaft soll in der Software ausgenützt werden, um die Effizienz des Rechners zu optimieren Threads ermöglichen einen schnelleren Kontextwechsel, da weniger Information (z.B. gemeinsame Daten) gelesen und geschrieben werden muss. Eine Kommunikation kann auf Bas.is von Shared Memory zwischen Threads implementiert werden Dafür mussen die Zugriffe auf die Datem synchronisiert (z.B. mittels Locks) - Eine unvorsichtige Programmierung könnte zu Race Conditions führen. 

https://www.youtube.com/watch?v=TGgUEamLvGs

Round Robin (RR

Shortest Job First (SJF)

Shortest Running Time (SRTN)

First in First Out (FIFO)

Round Robin mit Prioritäten

Folgende Scheduling-Algorithmen für Realtime-Systeme sind u. a. bekannt:

– Minimal Deadline First

– Polled Loop

– Interrupt-gesteuert 

Beim FCFS-Algorithmus werden die Aufträge in der Reihenfolge zugeteilt und abgewickelt, wie sie eingegangen sind. Zuerst eingehende Aufträge werden auch zuerst bedient. Bezogen auf die Steuerung der Schreib-/Leseköpfe von Festplatten bedeutet dies, dass die Daten beliebig auf der Festplatte positioniert werden können, ohne größeren Zeitverlust.

Der Prozess mit der kürzesten Ausführungszeit wird zuerst ausgeführt Die durchschnittliche Wartezeit wird minimiert.

- nicht präemptiver Stapelverarbeitungsalgorithmus 

- Laufzeiten sind vorher bekannt 

Die durchschnittliche Wartezeit wird minimiert. 

- jedem Prozess wird ein Zeitabschnitt zugewiesen (Quantum) 

ein Prozess wird an das Ende der Warteschlange geschickt, wenn er blockiert wird oder sein Quantum verbraucht hat

Gewöhnliches Quantum = 10 bis 100 ms

Im Hostbetriebssystem läuft eine virtualisierende Systemsoft- ware, die als Virtual Machine Monitor (VMM) oder Hypervisor bezeichnet wird.1

Das Gastbetriebssystem arbeitet so, als ob es über die volle Kontrolle der Hard- ware verfügt. In Wirklichkeit wird die Hardware aber vom Hostsystem kontrol- liert und verwaltet. Sofern sich die Befehlssätze von Host und Gast unterscheiden, wird durch den VMM auch eine Emulation der Befehle durchgeführt.

Bei diesem Ansatz werden serverseitig eingesetzte Rechnersysteme mit dem Ziel virtualisiert, die Anzahl der Serverrechner im Unternehmen zu reduzieren. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer virtuellen Infrastruktur, von der man sich neben Kosteneinspa- rungen (Energie-, Hardware-, Lizenzeinsparung) auch eine einfachere Ad- ministrierbarkeit verspricht.

Hier werden ganze Arbeitsplatzrechner einschließlich aller Anwendungen und Konfigurationen virtualisiert. Ziele sind ebenfalls eine einfachere Administrierbarkeit der Arbeitsplätze sowie eine Einsparung der Hardwareausstattung für den Arbeitsplatz.

Bei dieser Art der Virtualsierung, bei der es sich im eigentlichen Sinne nicht um eine Betriebssystemvirtualisierung handelt, werden Anwendungen und deren Umgebungen virtualisiert.

Die Onlinevirtualisierung entspricht im Wesentlichen dem Konzept des Terminalserver-Betriebs (Kapitel 2), in dem die clientseiti- gen Anwendungen vollständig in sog. Serverfarmen ablaufen und nur noch die Präsentationsinformation zu den Arbeitsplatzrechnern übertragen wird. Auch hier wird nicht das Betriebssystem virtualisiert. Die Anwendungen laufen vielmehr zentral wie in der klassischen Mainframes-Technologie ab, was einen wesentlichen Vorteil bei der Administration mit sich bringt, da die Softwareverteilung auf die Serverseite beschränkt wird.

Es ist weniger Hardware bei günstiger Hardwareauslastung erforderlich
– Weniger Leistungsaufnahme für Rechner und Klimatisierung (Stromver-
brauch niedriger)
– Hohe Flexibilität beim Aufbau einer Infrastruktur durch schnelle Bereitstel-
lung neuer VMs. Virtuelle Systeme sind auch nahezu beliebig verviel- fältigbar und archivierbar. Zudem ist die Migration von Betriebssystemen auf andere Rechnersysteme sowie ein Technologiewechsel ohne Betriebsun- terbrechung möglich
– Virtualisierung ermöglicht eine vereinfachte Wartung der kompakteren Hardware
– Virtualisierung unterstützt Verfügbarkeits- und Ausfallsicherheitskonzepte
– Virtualisierung unterstützt auch historische Anwendungen mit älteren Be-
triebssystemversionen

Nachteilig ist u. a. eine etwas geringere Leistung als bei realer Hardware. Man rechnet mit einem Overhead von 5 bis 10 Prozent für die Virtualisierung (Baun 2009). Auch die Virtualisierung von spezieller Hardware, z. B. Hardware-Dongles und spezieller Grafikkarten ist schwierig. Hinzu kommt, dass bei Ausfall eines Serverrechners gleich mehrere virtuelle Rechner ausfallen, wodurch hohe Anfor- derungen an die Ausfallsicherheit der Hardware gestellt werden.

Man spricht von einer vollständigen Virtualisierung oder Vollvirtualisierung, wenn die Gastbetriebssysteme nicht verändert werden müssen, um in der Virtualisierungsumgebung zum Ablauf zu kommen. IBM- Prozessoren (System z) unterstützen z. B. vollständige Virtualisierbarkeit. Ist keine Vollvirtualisierung möglich, müssen die Gastbetriebssysteme angepasst werden.

Im Benutzermodus (Usermodus) laufen üblicherweise Anwendungsprogram- me ab. In diesem Modus ist ein Zugriff auf kernelspezifische Code- und Da- tenbereiche nicht möglich

Im Kernelmodus (privilegierter Modus) werden Programmteile des Betriebs- systems ausgeführt, die einem gewissen Schutz unterliegen. Damit kann das Betriebssystem auch eine Abschottung von Datenstrukturen und Codeteilen des Betriebssystems vor Zugriffen aus Anwendungsprogrammen heraus vornehmen

Ein Maschinenbefehl ist dann privilegiert, wenn er eine Ausnahme und damit einen Trap in den höher privilegierten Modus erzeugt, sofern er im Benutzermodus aufgerufen wird. Wird ein privilegierter Befehl im Kernelmodus aufgerufen, löst er keine Ausnahme aus.

Nicht privilegierte Befehle können in allen Modi, ohne eine Ausnahme zu erzeu- gen, ausgeführt werden.

Befehle, die entweder zustandsverändernd sind oder sich je nach Modus, in dem sie ausgeführt werden, unterschiedlich verhalten. Hierzu gehören z. B. Befehle für den Zugriff auf I/O-Geräte oder auf spezielle interne Adress- und Steu- erregister. Sensitive Befehle sollten eine Teilmenge der privilegierten Befehle sein und bei einem Aufruf in einem nicht privilegierten Betriebsmodus eine Ausnahme und damit einen Sprung in einen privilegierten Betriebsmodus erzwingen.

Diese sind sensitiv, aber nicht privilegiert (siehe Abbildung 9-2). Sie lösen bei Aufruf im Benutzermodus keinen Trap aus und können somit von einer VMM nicht abgefangen werden. Die kritischen Befehle stellen, wie die Bezeichnung schon andeutet, ein Problem dar.

Server-Virtualisierung 

Desktop-Virtualisierung

Application-Virtualisierung 

Netzwerk-Virtualisierung 

Software-Defined-Storage

Antwort Foto

Unter Polling versteht man das zyklische Abfragen von einer Ereignisquelle bzw. mehreren Ereignisquellen (z. B. E/A-Geräte), um deren Kommunikationsbereitschaft festzustellen bzw. um anliegende Ereignisse oder Kommunikationswünsche der Ereignisquelle abzufragen. 

Im Gegensatz zu Polling sind Interrupts (Unterbrechungen) sog. Betriebssystembedingungen oder asynchrone Ereignisse, die den Prozessor veranlassen, einen vordefinierten Code auszuführen, der außerhalb des normalen Programmflusses liegt. Überwachte Ereignisquellen müssen nicht ständig abgefragt werden, sondern die Ereignisquellen melden sich beim Auftreten eines Ereignisses, das behandelt werden muss.  

Polling hat den Nachteil, dass die CPU ständig 11 Lösungen zu den Übungsaufgaben 326 arbeiten muss und damit die Effizienz eines Systems beeinträchtigt ist. Die meiste Zeit wird umsonst nachgefragt.

Faults sind Unterbrechungen vor der Befehsausführung wie z. B. Seitenfehler. Traps sind Unterbrechungen nach der Befehlsausführung, die z. B. bei einer Division durch 0 auftreten. 

Ein Systemcall ist ein synchroner, also ein vorhersehbarer und reproduzierbarer Interrupt und wird auch als Software-Interrupt bezeichnet. Ein Systemcall ist ein Dienstaufruf an das Betriebssystem, bei dessen Ausführung in den Kernelmodus gewechselt wird. Der Kontrollfluss wird dabei meist von einem Anwendungsprogramm an den Kernel übergeben. 

Eine Maskierung ist das explizite Ausschalten eines Interrupts für ein bestimmtes Gerät. Die Maskierung erfolgt für gewöhnlich über ein Maskenregister (Interrupt Mask Register). Für jede Interrupt-Quelle wird in dem Register ein Maskierungsbit verwaltet. Wird das Bit auf 1 gesetzt, ist der Interrupt ausgeschaltet.