Anwendungsprogramme und Betriebssysteme

Anwendungsprogramme

• Anwendungsprogramme nutzen verschiedene Arten von Ressourcen wie Hardware (CPU, Arbeitsspeicher, Drucker) und Software (Bibliotheken).
• Ressourcen können entziehbar (z.B. Arbeitsspeicher) oder nicht entziehbar (z.B. CPU) sein.
• Ressourcen können exklusiv (z.B. Drucker) oder gemeinsam nutzbar (z.B. CPU) sein.

Das Betriebssystem und Ressourcenmanagement

• Das Betriebssystem reguliert den Zugriff auf Ressourcen und verhindert Konflikte.
• Es verwendet verschiedene Scheduling-Algorithmen, um Ressourcen effektiv zu verteilen.
• Um dies zu realisieren, arbeitet das Betriebssystem mit verschiedenen Subsystemen des Kernels zusammen, die sich jeweils auf bestimmte Aufgaben spezialisiert haben.
• Subsysteme beinhalten z.B. Speicher-, Task-, IPC-, Netzwerk- und Dateisysteme.

Abstraktion der Hardware

• Für das Betriebssystem ist jedes Anwendungsprogramm ein einzelner Prozess.
• Prozesse laufen unabhängig voneinander im User-Space.
• Das Betriebssystem selbst befindet sich im Kernel-Space.
• Die Trennung von User-Space und Kernel-Space ermöglicht einen vollständigen Schutz zwischen Prozessen und dem Kernel.
• Dieser Schutz wird durch die CPU-Architektur mit speziellen Funktionen wie "priviligierte Instruktionen" sichergestellt.

Systemcalls

• Systemcalls sind die Schnittstelle zwischen Anwendungsprogrammen und dem Betriebssystem.
• Damit eine Anwendung einen Systemcall ausführen kann, muss sie eine bestimmte Instruktionssequenz ausführen.
• Systemcalls werden in der Regel durch Software-Interrupts ausgelöst, die den Wechsel vom User-Space in den Kernel-Space bewirken.

Interrupts

• Ein Interrupt ist ein Signal, das das Betriebssystem unterbricht und es dazu veranlasst, bestimmte Aktionen auszuführen.
• Interrupts können von Hardware (z.B. Peripheriegeräte) oder Software (z.B. Fehlerhafte Instruktionen) ausgelöst werden.
• Interrupts können asynchron (unvorhersehbar) oder synchron (kontrolliert) auftreten.
• Asynchrone Interrupts werden von der Hardware erzeugt, synchrone Interrupts werden vom Prozessor selbst ausgelöst.
• Interrupts haben eine bestimmte Priorität, die bestimmt, in welcher Reihenfolge sie abgearbeitet werden.

Hardware-Interrupts

• Ein Hardware-Interrupt wird durch ein Signal eines Peripheriegeräts ausgelöst, das eine bestimmte Aktion vom Betriebssystem verlangt.
• Die Interrupt-Behandlungsroutine (ISR) liest Daten aus dem Gerät und schreibt sie in einen Puffer im Kernel-Space.
• Das Betriebssystem kehrt dann zur unterbrochenen Anwendung zurück.
• Die ISR sollte so schnell wie möglich abgeschlossen sein, um Verzögerungen zu minimieren.
• Bestimmte Hardware-Interrupts sind nicht maskierbar (z.B. Speicherfehler, Stromausfall), da sie sofort behandelt werden müssen.

Systemcalls messen (1/4)

• Der Codeausschnitt zeigt, wie die Ausführungszeit von verschiedenen Methoden zum Abrufen der Prozess-ID gemessen werden kann.
• Der Text beschreibt drei Methoden: getpid(), syscall(SYS_getpid) und my_getpid_int0x80().
• Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Effizienz und der Komplexität ihrer Implementierung.
• Der Code nutzt Inline-Assembler, um den Prozessor-Timer rdtsc auszulesen.

Dieser Quiz behandelt die Grundlagen von Anwendungsprogrammen und deren Interaktion mit dem Betriebssystem. Es wird erläutert, wie Ressourcenverwaltung funktioniert und welche Rolle das Betriebssystem dabei spielt. Zudem wird die Abstraktion der Hardware angesprochen, die für die effiziente Ausführung von Prozessen entscheidend ist.