Betriebssysteme Grundlagen

Betriebssysteme

• Betriebssysteme verwalten Ressourcen wie Sekundärspeicher, Hauptspeicher und Prozessoren.
• Die Ressourcenverwaltung erfolgt intern für den Betriebssystemarchitekten, und extern für den Benutzer und Programmierer.
• Systemarchitekturen beinhalten Kernstrukturen wie virtuelle Systeme und Überblick Fallstudien.
• Betriebssysteme stellen Abstraktion für Benutzer und Programmierer bereit, indem sie APIs für den Zugriff auf Hardware und Systemdienste bereitstellen.
• Sie abstrahieren von der zugrundeliegenden Hardware, sodass die Programme unabhängig von der konkreten Hardware arbeiten können.
• Aufgaben von Betriebssystemen umfassen die Verwaltung von Ressourcen, die Koordination von Prozessen, die Unterstützung von Benutzern und die Bereitstellung einer Oberfläche zur Interaktion mit der Hardware.
• Betriebssysteme können in Einprozess- und Mehrprozess-Systeme unterteilt werden. Mehrprozess-Systeme werden durch Multiprogramming und Multitasking ermöglicht.
• Ein Prozessorkernwechsel und eine Speicherauslastung erfolgen beim Einsatz von Multi-Prozessor Systemen.
• Rechenzeit kann quasi-gleichzeitig mehreren Prozessen zugewiesen werden, das erhöht die Effizienz der CPU Nutzung.
• Prozessmanagement und Speicherverwaltung sind wichtige Bestandteile von Betriebssystemen.
• Im Multiprozessorsystem spielt die Synchronisation von Prozessen eine wichtigere Rolle, als im Einprozessor System.

Aufgaben eines Betriebssystems

• Aufgaben eines Betriebssystems beziehen sich auf die Rechenzeitvergabe auf Prozessoren, was durch CPU-Scheduling und dessen Verwaltung erfolgt.
• Es beinhaltet die Verwaltung von mehreren Prozessoren, die Synchronisation von Prozessen, die Cache-Kohärenz, und die Verwaltung von Rechenressourcen.
• Realtime-Systeme haben Antwortzeiten mit garantierten maximalen Antwortzeiten, welche für Situationen mit hohem Gefahrenpotential oder im medizinischen Bereich wichtig sind.
• Einführende Inhalte zur Mehrprozessorsysteme, Interaktive-Systeme und Realtime-Systeme.

Bootstrapping

• Der Boot-Prozess beginnt beim Einschalten des Computers, mit dem BIOS.
• Das BIOS initialisiert die Hardware und sucht nach einem Boot-Device
• Das BIOS lädt den Boot-Manager.
• Der Boot-Manager startet auf dieser Basis das Betriebssystem.

BIOS

• BIOS-Startup-Programme wurden 1981 eingeführt.
• Der Power-ON-Self-Test (POST) initialisiert die Systemkonfiguration.
• Das BIOS sucht nach Bootfiles und lädt sie in den Hauptspeicher.
• Der Start im Real-Modus wird durch das Betriebssystem in den Protected-Modus gewechselt.

BIOS HAL

• Shadowing im RAM sorgt für schnellere Ausführung von Programmen.
• Boot-Device-Strategie: Die BIOS-Liste priorisiert die Zugriffsweise auf Boot-Geräte (z.B. HDD, CD-ROM, USB).
• Suche nach einem gültigen Master Boot Record in der definierten Reihenfolge der Boot-Geräte.

UEFI

• Der "Unified Extensible Firmware Interface" (UEFI) wurde für 64 Bit Systeme eingeführt.
• Es bietet ein Softwareinterface zwischen Betriebssystem und Hardware.
• UEFI definiert einen Bytecode für die Implementierung von hardwareunabhängigen Gerätetreibern.
• UEFI unterstützt die Nutzung von Pre-Boot-Applikationen

Partitionierung

• Eine Hardwarebeschreibung und Funktion zur Partitionierung.
• Partitionierung wird von Betriebssystemen durchgeführt, um den physischen Datenträger in logische Partitionen zu unterteilen.
• Die Partitionierungsstruktur umfasst die Geometrie der Festplatte und die Definition von Partitionen.
• Für jeden logischen Disk Drive wird eine Partition festgelegt.

Diskgeometrie

• Ein typisiertes und strukturiertes Format zur Konfiguration einer Festplatte.
• Physikalische Geometrie (CHS) beinhaltet Zylinder, Kopf und Sektor.
• Logische Geometrie (LBA) verbessert die Verwaltung von Plattenstrukturen und die Zuweisung von Nummern zu logischen Blöcken.

Disks

• Parameter von Disks
• Physicalische und virtuelle Disk Geometrie

SSD vs HDD

• Vergleichstabelle von SSD und HDD
• Folgerung: Die Verwendung von SSDs wird langfristig HDDs ersetzen.

Partitionierung

• Logische Disk Drives werden durch Partitionen definiert.
• Dies schafft logische Laufwerke und Volumes.

PC MBR

• Die Partitionstabelle im MBR enthält maximal 4 Partitionen.
• Eine erweiterte Partition kann maximal 24 Subpartitionen enthalten.
• Die Partitionstabelle enthält Informationen über die Größe, Typ und den Startsektor jeder Partition.
• Boot-Code wird in die Partitionstabelle geschrieben.

Inhalt des MBR/EBR

• Beschreibung des MBR und seiner relevanten Einträge.
• Die Einträge beinhalten Informationen über Partitionen, z.B. Größe, Typ, Startsektor und eindeutige Kennzeichen
• Festlegung von Boot-Code zur Initialisierung

Einordnung im Computersystem

• Es wird das Computersystem in Schichten dargestellt.
• Anwendungsschicht: Darstellung der Oberfläche für den Benutzer.
• Betriebssystem: Stellt die Kommunikationsschicht zwischen den programmen und der Hardware her.
• Hardware: Das physikalische System.

Beispiel einer Partitionierung

• Beispiele für konkrete MBR-Implementationen:
• Partitionierung der Disk in logische Partitionen mit unterschiedlichen Funktionen und Speicherbereichen.

Booten mit Bootmanager

• Zusammenfassung der verschiedenen Phasen im Boot-Prozess, mit unterschiedlichen Abstraktionsgraden.
• Der Boot-Manager ermöglicht eine Auswahl des Betriebssystems.
• Die verschiedenen Phasen beinhalten die Prozesse, die für den Start ablaufen.
• Das System sucht nach dem passenden Betriebssystem.
• Die Auswahl des Betriebssystems in verschiedenen Bootarten führt zu unterschiedlichen Prozessen im Bootvorgang.

Booten von WinNT/2000/XP

• Initialisierungen im Zusammenhang mit der Initialen Phase.
• Prozesse, die im Kernel ablaufen.
• Der Boot-Loader lädt Windows Boot Sektor und führt die Datei ntldr im Wurzelverzeichnis aus.
• Windows Boot Sektor, Laden und Ausführen von NTLDR.
• Boot-Loader-Phase, Initialisierung von Adressen.
• Hardware-Umgebungsuntersuchung und die Integration in das Register.

Booten von WinNT/2000/XP II

• Details zu den Systemkern-initialisierungen und Boot-Prozessen im Windows-Umfeld.
• Die Kerneinitialisierung, einschließlich der Initialisierung der Systemkernele, starten von Prozessen und der erstmaligen Interaktion mit der Hardware.

Bootkomponenten von Windows Vista

• Komponenten bei Windows Vista als Folge des Bootvorgangs.
• BIOS, Windows Boot Manager, Boot Sector.
• Informationen zu den Komponenten des Boot-Prozesses in Windows Vista.

Booten von Unix / Linux

• Prozessor Wechsel
• Assembler Code
• Initialisierung der Kernel-Datenstrukturen
• Prozesse im Benutzermodus starten.

FAT Filesystem

• Einführung in FAT Systeme
• Definition von Konzepten, der Allokationstabelle, und Volumenstruktur.

NTFS Filesystem

• Einführung in NTFS Systeme.
• Beschreibung der Volumenstruktur und Konzept von Konzepten.

UNIX Filesysteme

• Beschreibung der Konzepte für UNIX Filesysteme und deren Implementierungen.

Links

• Was hardlinks und softlinks sind.
• Unterschied zwischen Hardlinks und Softlinks.