TGI 1

Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Rechenanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern und überwachen. (DIN 44 300)

siehe Bild

Die Schnittstelle ist das Maß aller Dinge; die Implementierung, also das Systeminnere, wird nicht betrachtet.

1. Überhöhter Ressourcenverbrauch oder unbefriedigender Ausführungsgeschwindigkeit, wegen Unkenntnis
2. Kein Einblick ins System -> Betriebssystemdetails werden ignoriert (performancekritische Anwendungen)

• Monolithische Systeme
  • Bsp. MS-DOS
• Geschichtete Systeme
  • Bsp. OS/2
• Mikrokernsysteme
  • Bsp. MAC OS X (Basierend auf Mach kernel)
  • *
• praktisch liegen häufig Mischformen vor

*Zusatzwissen: Eigenschaften des Betriebssystemkerns "Mach"

• Multitasking
• Threads
• Interprozesskommunikation
• Speicherschutz

• Keine oder unklare Strukturen
• Teilfunktionen sind nicht klar mit Schnittstellen abgegrenzt
• meist evolutionär gewachsen

• Teilfunktionen sind hierarchisch auf mehrere Schichten verteilt
• jede Schicht realisiert eine bestimmte Funktionsgruppe
• Funktionen bauen nur auf Funktionen der tieferen Schicht auf

• zentrale Funktionen in einem Kernteil (Mikrokern); übrige Funktionen als "Serverdienste" aufgeführt
• Mikrokern enthält vier Basisdienste
  • Nachrichtenübermittlung (message passing)
  • Speicherverwaltung (virtual memory)
  • Prozessorverwaltung (scheduling)
  • Gerätetreiber (device drivers)

• Stapelverarbeitung (batch processing)
  • Bearbeitung einer Folge von Stapelaufträgen
  • klassische Großrechnerbetriebssysteme
• Time-Sharing-Betrieb
  • Zuteilung von Zeitscheiben
  • scheinbar exklusiver Zugriff
• Echtzeitbetriebssystem
  • Priorisierung von Prozessen
  • Ausführung innerhalb fester Zeitschranken
  • reaktive Systeme: schnelle Reaktion auf Signale der Umgebung
  • Moderne Betriebssysteme fallen mehr oder weniger in diese Gruppe

• Einprozessorsysteme
• Multiprozessorsysteme
• verteilte Systeme
  • Das Betriebssystem selbst ist verteilt, für Benutzer und Anwendungen ist dies nicht sichtbar.

Die Zentraleinheit besteht aus einem Steuerwerk (control unit; CU ) und einem Operationswerk (auch: Rechenerwerk, arithmetical logical unit, ALU)

• Zentraleinheit (Central Processing Unit,CPU)
• Speicher (Memory)
• Ein-/Ausgabeeinheit (Input/Output Unit)

sequentieller Prozess: Die Operationen werden eine nach der anderen ausgeführt.

Parallele Prozesse: mehrere Prozesse, die gleichzeitig auf mehreren Prozessoren ausgeführt werden;

• keine Annahme über relative Geschwindigkeit

• unabhängige Prozesse oder

• kommunizierende Prozesse: p1 liefert Daten für p2 oder p1 wartet bis eine Bedingung erfüllt ist 

Die Menge der ausfühbaren Software (meist auch das Betriebssystem) ist in Prozessen organisiert

Programme wandeln Eingabedaten mit Hilfe von Algorithmen in Ausgabedaten um

Durch schnelles Abwechseln können mehrere Prozesse quasi-gleichzeitig ausgeführt werden. Das Prozessmodell beschreibt die drei wesentlichen Prozesszustände, die je nach Ausgestaltung um weitere ergänzt werden können

• BEREIT: Der Prozess besitzt alle benötigten Ressourcen (bis auf den Prozessor(kern)) und wartet auf seine weitere Ausführung.
• LAUFEND: Der Prozess ist aktuell einem Prozessor(kern) zugeordnet und läuft auf diesem ab.
• WARTEND: Der Prozess wurde unterbrochen und wartet auf eine nicht-Prozessorkern-Ressource. Wenn die Zuteilung erfolgt ist, wird er zunächst wieder in den Zustand BEREIT versetzt.

Beim Bootvorgang wird mindestens 1 Prozess gestartet

Durch den Systemaufruf von...

• einem anderen Prozess
• einem Benutzer über eine Benutzeroberfläche
• die Initiierung einer Stapelverarbeiteung (Batch-Jobs auf Mainframe)

Mainframe = Großrechner

Trennung blockierender E/A-Aktivitäten von der Verarbeitung

• Dispatcher und Worker bei Serverprodukten
• Trennung von Benutzerinteraktion und Rendering bei Textverarbeitung
• ...

Ausnutzung mehrerer parallel aktiver Rechenkerne

E/A = Eingabe/Ausgabe

Normales Beenden - die Aufgabe ist erledigt.

Beenden aufgrund eines Fehlers (programmgesteuert)

Beenden aufgrund eines schwerwiegenend Fehlers durch das Betriebtssystem (Div. durch Null, Speicherschutzverletzungen, ...)

Beenden durch einen Systemaufruf eines anderen Prozesses

Exit (optional mit Return-Code für den Erzeuger des Prozesses)

Kill (Terminate bei Microsoft). Dieser Systemaufruf wird von einem anderen Prozess initiiert (bsp. Betriebssystem).

1. Prozess erzeigen und vom Betriebssystem zulassen
2. Prozess wurde vom Scheduler ausgewählt
3. Prozess unterbrechen; ein anderer Prozess wird ausgewält
4. Prozess wartet auf Ereignis (E/A, Prozess)
5. Erwartetes Ereignis ist eingetreten (bsp. Tastatureingabe)
6. Prozess beenden

Die Prozesstabelle ist eine vom Betriebssystem gepflegte Datenstruktur, um Laufzeit-Unterbrechungen bei Prozessen durchführen zu können. Es handelt sich dabei um eine Tabelle, die pro laufenden Prozess einen Eintrag enthält. Diesen Eintrag nennt man Prozesskontrollblock (engl. process control block, PCB).

Der Prozesskontrollblock beinhaltet Informationen über den Zustand des Prozesses, seinen Befehlszähler, CPU-Register, seinen Stackpointer sowie seine Speicherbelegung und den Zustand seiner geöffneten Dateien.

• Benutzer möchte ein hohes Maß an Parallelität.
• Anzahl der laufenden Programme (Prozesse) ist größer als die Anzahl verfügbarer Prozessoren (auch bei Mehrkern-Prozessoren)

1. Sichern des Befehlszählers, Statusregisters und weiterer Registerinhalte auf dem Stack
2. Laden des neuen Befehlzählers aus dem Interrupt-Vektor
3. Ausführung der Unterbrechnungsroutine (Meist Puffer von E/A)
4. Auswahl des nächsten Prozesses durch den Scheduler
5. Wiederherstellen des Zustands des nächsten Prozesses und ausführen

Timer-Interrupt, der in regelmäßigen Abständen durch die Hardware (Clock) erzeugt wird

• Liegen in der Kontrolle des Prozesses (Anwendungsprogramm)
• Betriebssystem hat keine Kenntnis und verwaltet nicht (Scheduling)
• Potentiell blockierende Systemaufrufe benötigen Wrapper (Jacket), damit blockierender Thread nicht den gesamten Prozess blockiert
• Auch Seitenfehler sollten nur den verursachenden Thread treffen.

• Werden wie Prozesse durch das Betriebssystem verwaltet
• Einführung einer Threadtabelle neben der Prozesstabelle
• Überarbeitung aller Systemaufrufe für Thread-Fähigkeit notwenig
• BS kann Threads eines Prozesses auf mehrere Kerne verteilen
• Beim blockieren eines Threads können Threads anderer Prozesse aktiviert werden (prozessübergreifende Scheduling)

- Prozessorzeit

- Speicher

- Zuweisung von Ressourcen (exclusive / shared)

- Buchhaltung (bspw. zur Abrechnung oder Systemoptimierung)

- Sicherheitseinstellungen (Zugriffssteuerung, Schutz, etc.)