Betriebssysteme: Prozesse und Threads

Betriebssysteme (BS): Prozesse und Threads - Systemaufrufe und Interrupts

• Prozesse und Threads: Das Betriebssystem organisiert die Ausführung von Programmen. Ein Prozess ist ein laufendes Programm mit eigenem Adressraum. Ein Thread ist ein Teilprozess, der innerhalb des Prozesses läuft und sich den Adressraum mit anderen Threads des Prozesses teilt.

• Systemaufrufe: System Calls bieten Programmen die Möglichkeit, auf die Funktionalität des Betriebssystems zuzugreifen, z.B. zum Lesen/Schreiben von Dateien oder der Netzwerkkommunikation.

• Kernel-/User-Mode: Programme laufen im User-Mode und haben begrenzten Zugriff auf die Ressourcen des Systems. Der Kernel verwaltet die Ressourcen des Systems und läuft im Kernel-Mode, mit uneingeschränktem Zugriff.

• Interrupts: Interrupts sind Unterbrechungen, die zum Beispiel von der Hardware (Tastatureingabe) oder Software (Systemaufruf) ausgelöst werden. Das Betriebssystem wird daraufhin unterbrochen und führt eine bestimmte Aktion aus.

System Calls - Quiz

• Systemfunktionen: Eine Schätzung zur Anzahl der Systemfunktionen in Linux (64-Bit) und Windows (Win64) wird vom Nutzer erwartet.

System Calls - Aufruf (Alter Linux-Weg)

• System Call-Sequenz: Ein Programm muss eine Sequenz von Anweisungen ausführen, um einen System Call zu tätigen.

• Beispiel: System Call getpid() zur Ermittlung der Prozess-ID (PID) in C und in Assembler.

• System Call-Nummer: Die Nummer des System Calls (z.B. getpid: 39, Hex: 0x27) wird im EAX-Register gesetzt.

• Software Interrupt: Die Software-Interrupt int $0x80 wird zum Umschalten vom User- in den Kernel-Space verwendet.

• Trap: Der Wechsel vom User- in den Kernel-Space wird als Trap (Falle) bezeichnet und "unterbricht" den laufenden Prozess.

Interrupts

• Interrupt: Interrupts sind Signale, die das Betriebssystem anhalten und dazu veranlassen, bestimmte Aktionen auszuführen.

• Asynchrone Interrupts: werden von der Hardware (z.B. Peripheriegeräte) ausgelöst.

• Synchrone Interrupts: werden vom Prozessor selbst ausgelöst (z.B. Division durch Null).

System Calls - Priviligierter Kernel Space

• System Calls: Geben Programmen Zugriff auf Kernel-Funktionen.

System Calls (Intel Architektur)

• Software-Interrupt: Die Intel-Architektur bietet eine Anweisung für einen Software-Interrupt, um in den privilegierten Kernel-Mode zu springen.

• Assembler: Der Assembler-Code für ein System Call.

System Calls (Intel Architektur) (2/3)

• Software-Interrupt int 0x80: langsamer; ab Intel 80586: sysenter; für 64-Bit: syscall & sysret.

• Operation Code: Jede Instruktion hat einen hexadischen Operation Code und Beschreibungen für die verschiedenen Betriebszustände.

• Stack-Pointer: Der Stack-Pointer wird vom Kernel oder der glibc gesichert.

Code Beispiel - System Call getpid()

• Inline Assembler: Der Inline-Assembler wird verwendet, um den rdtsc-Befehl (Read Time-Stamp Counter) aufzurufen, um die Taktfrequenz des Prozessors zu messen und die Programmausführung zu timen.

Messen von System Calls

• Ausmessen von System Calls: Die Aufgabe soll anhand von C-Funktionen umgesetzt werden, welche die Ausführungszeit von drei verschiedenen Methoden zum Abrufen der PID messen.

• Methoden zum Abrufen der PID: getpid(), syscall(SYS_getpid), my_getpid_int0x80().

• Standard-C-Bibliotheksfunktion (libc): getpid().

• Direkter Systemaufruf: syscall(SYS_getpid).

• Benutzerdefinierte Funktion: my_getpid_int0x80() mit dem Software-Interrupt int 0x80.

Dieses Quiz behandelt die Grundlagen von Prozessen, Threads, Systemaufrufen und Interrupts in Betriebssystemen. Erlernen Sie, wie Betriebssysteme die Ausführung von Programmen organisieren und welche Rollen Kernel- und User-Mode spielen. Testen Sie Ihr Wissen über die Interaktionen zwischen Hardware und Software.