Betriebssysteme und Computerarchitektur Quiz

IBM Lochkarte

• 96 Spalten
• 6-Bit-Code BCD (binär codierte Dezimalwerte)
• 3 Reihen mit je 32 Spalten
• ODER im 8-Bit-Code ECDIC

CPU

• Central Processing Unit (CPU)
• Steuert die Datenmanipulation
• ALU (Arithmetic Logic Unit): führt Operationen mit Daten durch
• CU (Control Unit): koordiniert die CPU-Aktivitäten
• Register: kleine Datenspeicher (temporär)

Von-Neumann Architektur

• Theoretische Grundlage für Rechenautomaten
• Steuernde Programme: Kette logischer Binär-Entscheidungen
• Umstellung vom Dezimal- zum Binärsystem

Computerprogramme und Daten

• Programme und zu verarbeitende Daten werden im selben Speicher abgelegt
• Strikte Trennung zwischen CPU und Hauptspeicher
• Trennung zwischen Eingabe, Speicher und Ausgabe

Erste Generation (1945-1955)

• Mechanische Relais (elektromagnetische Schaltvorgänge, Zeitverzögerung in Sekunden)
• Röhrenrechner
• Programmierung in Binärcode und Steckkarten
• Standard-Abläufe auf Lochkarten
• Programme mussten Zeitabschnitte reservieren

Zweite Generation (1955-1965)

• Transistoren statt Vakuumröhren (kleiner, schneller, energiesparender)
• Neue Berufe (Entwickler, Hersteller, Operator, Programmierer, Wartungspersonal)
• Größere Computersysteme (Mainframes)
• Programme auf Papier und Lochkarten
• Stapelverarbeitung (Batch-Processing): Programme wurden zusammengefasst und gleichzeitig ausgeführt

Integrated Circuit (IC)

• Chips
• Entwicklung des Transistors
• Enthält: Transistoren, Dioden, weitere aktive/passive Bauelemente

Mini-Computer

• Dialogbetrieb per Terminals
• Timesharing, mehrere Benutzer gleichzeitig
• CTSS: Compatible Time Sharing System
• MULTICS: MULTiplexed Information and Computing System
• Erste Mini-Computer: DEC PDP-1 (4K 18Bit Worte)
• Darauf wurde UNIX realisiert

UNIX

• Erste Entwicklung auf dem PDP-7 Mini-Computer
• Mehrbenutzersystem
• Alternative zu MULTICS
• Grundlage für viele moderne Betriebssysteme (OS)
• Kostenlose Lizenzen für Universitäten
• Weitverbreitetest Betriebssystem (OS)
• Entwicklung von Schnittstellen (AT&T, BSD, IEEE POSIX)
• POSIX ist heute noch gültig (z.B. Linux)

Entwicklung des Personal Computer

• XEROX: erster PC mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) und Maus
• IBM suchte ein Betriebssystem für PCs, Digital Research hatte kein Interesse
• Zusammenarbeit mit Seattle Computer Products führte zu MS-DOS
• PCs der 1980er Jahre (Sinclair, Commodore)
• Apple Macintosh, ATARI

Raspberry Pi

• Einplatinencomputer
• Günstig
• Für DIY-Zwecke
• RAM zwischen 512 MB und 8 GB
• Linux-basiertes Betriebssystem (OS)
• Unterstützt diverse Programmiersprachen

Netzwerk

• Netzwerkbetriebssysteme (NOS): Software, die Netzwerke verwaltet und koordiniert
• Spezielle Software zur Verwaltung und Koordination von Netzwerkressourcen
• Benutzer wissen von mehreren beteiligten Rechnern
• Beispiele: Novell, Windows, Unix, Linux-basierte Betriebssysteme
• Verteilte Betriebssysteme (distributed): Ressourcenverwaltung, Transparenz

Rechner der 5. Generation

• Computer = Netzwerk (Cluster, Cloud, Grid, P2P-Computing)
• Virtualisierung
• Open-Source Software
• Kommunikation überall durch mobile Systeme
• Web-Services
• Ressourcenbedarf On-Demand
• KI
• Quantencomputer

Java Plattform

• Java™ 2 Plattform
• Interpretierter Bytecode
• Sandbox-Sicherheit
• Digitale Signaturen
• Rollenverteilung
• Plattformunabhängigkeit

Android

• Linux-basiert
• Verwendet viele Java-Bibliotheken
• Plattformunabhängig
• Objektorientiert
• Entwicklungsumgebung (Ecosystem)

Apps und mobile computing generell

• Handset-Allianz für Innovationen
• Android: Open-source Betriebssystem
• Lizenzen für Hersteller sind nicht nötig
• Betriebssystem Definition: Programme die Eigenschaften der Hardware nutzen und Programme steuern/überwachen
• Aufgaben: Umgang zwischen Hardware und Benutzer
• Ziel: Benutzerprogramme ausführen, Computer komfortabel verwenden, Effiziente Hardware-Nutzung, Fehlerkorrektur
• Kern: Ein laufendes Programm
• Effizienz: geringer Energieverbrauch, gute Performance, effektive Nutzung des Rechners

Betriebssystem Grundlagen

• Definition: Programme eines digitalen Rechensystems, die neben den Hardwareigenschaften einen Teil der möglichen Betriebsarten definieren und die Ausführung von Programmen steuern.
• Aufgaben: Kommunikation und Verwaltung zwischen Benutzer und Hardware, Steuerung der Programme, Verteilung von Ressourcen, Fehlerbehandlung.

OS-Dienste

• Auftragsverwaltung (Job Management)
• Auftragsablaufsteuerung (Prozessverwaltung und Synchronisierung)
• Arbeitsspeicher/ Prozessadressraumverwaltung
• Katalog-Management (Objektverwaltung)
• Datenmanagement
• Eingabe/Ausgabemanagement
• Zeitverwaltung
• Kommunikationsmanagement
• Wartungsmanagement
• Systemadministration

Computer-System Organisation

• Hardware (CPU, Speicher, E/A-Geräte)
• Betriebssystem (Steuerung und Koordination)
• Anwendungsprogramme (Nutzeranwendung)
• Benutzer (Menschen, Maschinen, andere Computer)

Computer-System-Operationen

• Ein/Ausgabe-Geräte und CPU können gleichzeitig funktionieren
• Controller steuert einen Gerätetyp
• CPU verschiebt Daten zwischen Speicher und Geräten
• Geräte informierte die CPU über den Beendigung ihres Betriebs über einen Interrupt

Interrupt

• Betriebssysteme sind Interrupt-gesteuert
• Interrupt: ein Signal von einem Gerät oder aus Software für das BS.
• Der Computer führt nur einen Prozess gleichzeitig aus
• Interrupts simulieren Multitasking

Interrupt-Handler

• Bedient Interrupt-Signale
• Priorisiert Interrupts
• Setzt die Interrupts auf den Stack

User- und Kernel-Mode

• Bei Wechsel in Kernel erhöht Zugriffsrecht und deaktiviert Schutzmechanismen
• Meist Hardware-basiert und vom Benutzer nicht manipulierbar
• Systemrufe: Speichern von Parametern im Stack und lösen eines Softwareinterrupts aus
• Benutzer-Modus: Benutzer-Shell, Anwendungen
• Kernel-Modus: Schnittstellen, Verwaltung von Speicher, Prozessen

Synchrone vs. Asynchrone I/O-Methoden

• Synchrone: Anfordernder Prozess muss warten
• Asynchrone: Prozess läuft weiter, während Übertragung stattfindet

Unix und Posix

• Strukturen von Unix können unterschiedlich sein
• Unterschiede in den Systemrufen
• Posix: Portabilität und Standardisierung von Systemrufen
• Ziel: Systemunterschiede abstrahieren (hidden)
• Mach (Nachfolger von Unix): Mikrokern-System, alle Systemdienste auf Benutzerebene

Von-Neumann und Universalrechner

• Idee und Aufbau eines Universalrechners
• Daten und Programme in binärem Code, im gemeinsamen Speicher
• CPU besteht aus: Rechenwerk (ALU), Steuerwerk, Adressbus, Datenbus, Steuerbus
• Datenbus: Austausch zwischen CPU, Speicher und Peripherie
• CPU-Registergröße (Anzahl an Bit): Größe des Arbeitsregisters im Rechenwerk

Speicherhierarchie

• Register
• Interner Cache
• Externer Cache
• Hauptspeicher
• SSD/CompactFlash
• Festplatten
• Optische Laufwerke (CD/DVD)
• Magnetoptische Laufwerke
• Magnetbänder

User Interfaces

• CLI (Command Line Interface): Direkte Kommandoeingabe
• Shells (z.B. bash)
• GUI (Graphical User Interface): grafische Oberfläche
• Desktop und diverse Anwendungen

System Calls

• Programmierte Schnittstellen zwischen OS und Programmen
• In C/C++ geschrieben
• API-basiert

Kernelarchitekturen (Monolithisch)

• Großteil des BS ist im Kernel
• Moduläre Organisation
• Vorteil: schneller, wenig Kontextwechsel
• Nachteil: Komplexitätswachstum und schwierige Korrektur von Fehlern

Kernelarchitekturen (Mikrokern)

• Nur grundlegende Funktionen im Kernel
• Vorteile: Stabilität, Sicherheit und Flexibilität
• Nachteile: Komplexer zu erstellen, langsamere Prozesse

Makrokernel

• Eine Mischform von Monolithischen und Mikrokern
• Vorteile: Gute Performance
• Nachteile: Komplexität

Scheduling

• Multitasking: Prozesse gleichzeitig ausführen
• Dispatcher: Umschalten zwischen Prozessen
• Dispatch Overhead: Zeit für Umschaltung
• Scheduler: Zeitpunk und Reihenfolge des Wechsels
• CPU Burst: Zeit, die ein Prozess in Folge kontinuierlich die CPU benutzt
• CPU-Nutzung: Messung der Prozessorbenutzung
• Durchsatz: Anzahl der pro Zeiteinheit beendeten Prozesse
• Turnaround-Zeit: Gesamtzeit für einen Prozess
• Wartezeit: Zeit, die ein Prozess zum Warten braucht
• Antwortzeit: Zeit bis zur ersten Antwort
• Fairness: Prozesse werden nach bestimmten Kriterien berücksichtigt

FCFS (First Come, First Served)

• Vorteile: Einfach zu implementieren, geringe Verwaltungskosten, Fair
• Nachteile: Kurze Prozesse müssen lange warten, Konvoi-effekt

Priority Scheduling

• Einteilung der Prozesse in Prioritätsklassen
• Vorteil: Wichtige Prozesse werden schnell bearbeitet
• Nachteil: Prioritätsassignierung ist unklar (unfair)

Round Robin (RR)

• Prozessen wird ein Zeitquantum zugewiesen
• Vorteil: akzeptable Reaktionszeiten für kurze Prozesse und geringe Verwaltungsaufwand
• Nachteil: Overhead aufgrund der Kontextwechsel

Multi-Level Queue Scheduling

• Prozesse werden in verschiedene Klassen eingeteilt (Vordergrund, Hintergrund)
• Unterschiedliche Scheduling-Algorithmen pro Klasse

Real-Time Scheduling

• Hard Real-time: Kritische Aufgabe muss innerhalb einer vorgegebenen Zeit ausgeführt werden
• Soft Real-time: Kritische Prozesse erhalten höhere Priorität

Threads

• Leichtgewichtige Prozesse
• Im selben Adressraum wie der Prozess
• Können auf die Ressourcen des Prozesses zugreifen
• Mehrere Threads können ein Programm gleichzeitig ausführen

Speichermedien

• Bitmaps vs. Verkettete Liste: unterschiedliche Dateisysteme und Strategien für Speichermanagement.
• Bitmaps: kompakte Darstellung für einfache Verwaltung und geeignet für kleine Speicherblöcke; Nachteil: Lineare Suche
• Verkettete Listen: flexibles Speichermanagement für große Speichersegmente und effiziente Verwaltung von Speicherblöcken; Nachteil: hoher Speicherbedarf
• First Fit, Next Fit, Best Fit, Worst Fit Algorithmen

Paging

• Virtual/physische Adressierung
• Schnelle Adressübersetzung
• Virtuelle Adressen werden in Logische Seiten und Offset aufgeteilt;
• Seiten werden in physische Frames übertragen (physische Adresse)
• Umsetzungstabelle (Page Table): Verbindung virtueller und physischer Adressen
• Paging als Hauptspeicherverwaltung; Verwaltung von Pages;
• Seitentabelle: Tabelle die die Verbindung von virtual- und physischen Adressen hält;

Speicherverwaltung

• Speicherverwaltung, Speicherstrukturen, Bitmaps, Verkettete Listen
• Flexible Partitionen, feste Partitionen
• Paging (Systeme mit virtuellem Speicher)
• Segmentierung, Virtueller Speicher, Unterstützungssoftware für den Speicher

Prozessbaum

• Darstellung von Prozessen und deren Elternprozessbeziehung
• Prozess-Baumstruktur und Eltern-Kind-Prozess
• Fork(), Exec()

Zombie-Prozesse

• Kindsprozesse, die gestorben sind aber deren Status nicht vom Elternprozess verarbeitet wurde

Kritische Abschnitte

• Code, der auf gemeinsam genutzte Ressourcen zugreift
• Problem: race condition
• Lösungsmöglichkeiten: Mutual Exclusion, Semaphoren, Lock-Mechanismen

Synchronisation von Prozessen

• Datenabhängige Prozesse
• Lost Update
• Dirty read
• Inconsistent read

Interprozesskommunikation (IPC)

• Shared memory: Prozesse teilen sich einen gemeinsamen Speicherbereich
• Message Passing: Prozesse tauschen Nachrichten über einen Message Queue aus

Zwei IPC-Modelle

• Shared Memory
• Message Passing

Multithreading

• Viele Prozesse gleichzeitig ausgeführt (parallel)
• Prozess-Management, Prozess-Status, Kommunikation

Mehrprogrammbetrieb

• Mehrere Programme gleichzeitig im Hauptspeicher
• Partitionierung
• Flexible Partitionierung

RAID

• Redundant Array of Independent Disks
• Verschlüsselte Datenredundanz
• Verteilte Datenredundanz
• RAID 0, 1, 5, 10
• Datenverlustvermeidung

Dateisysteme

• Abstraktion physikalischer Speichermedien
• Verwaltung von Dateinamen, Metadaten und Dateigröße
• Partitionierung
• Formatierung (auf einer Festplatte)

Datei-Zugriffsarten

• Sequentiell
• Relativ