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Questions and Answers
Was sind die zwei Methoden des Betriebssystems zur Kommunikation mit der Hardware?
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Wo liegen die gezählten Interrupts bei einem Linux-System?
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/proc/interrupts
Der Software-Interrupt int 0x80 ist die schnellste Möglichkeit, einen Systemcall in Linux auszuführen.
Der Software-Interrupt int 0x80 ist die schnellste Möglichkeit, einen Systemcall in Linux auszuführen.
False
Der Wechsel von User- in den ______ wird als Trap bezeichnet.
Der Wechsel von User- in den ______ wird als Trap bezeichnet.
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Was passiert, wenn ein Gerät einen Interrupt meldet?
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Welche Art von Interrupt könnte zeitkritisch sein und die Verarbeitung anderer Interrupts unterbrechen?
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Was ist eine Interrupt Service Routine (ISR)?
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Was ist ein Betriebssystem?
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Welche der folgenden Lernziele sind relevant für das Verständnis von Betriebssystemen? (Wählen Sie alle zutreffenden aus)
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Das Betriebssystem läuft im User-Space.
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Wie viele Systemfunktionen stellt Linux zur Verfügung?
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Wie viele Systemfunktionen stellt Win64 zur Verfügung?
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Interrupts unterbrechen den Prozessor.
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Was macht der Systemcall 'getpid'?
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Welches Ziel hat ein Compiler?
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Die Zuteilung von Ressourcen im Betriebssystem erfolgt durch __________.
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Study Notes
Überblick Betriebssysteme
- Betriebssysteme (BS) bewältigen die Komplexität eines Computers und bieten sicheren Zugriff auf Ressourcen.
- Wichtige Konzepte: Prozesse, Threads, Systemaufrufe (Systemcalls) und Interrupts.
Lernziele
- Verständnis von Prozessen und Threads
- Kenntnis von Systemaufrufen und den Unterschieden zwischen User-Mode und Kernel-Mode
- Unterscheidung zwischen Software- und Hardware-Interrupts, speziell unter Linux
Definition Betriebssystem
- Ein Betriebssystem ist Software, die Nutzern und Programmen gemeinsamen und sicheren Zugriff auf Rechen-, Speicher- und Kommunikationsmittel ermöglicht.
Prozesse und Threads
- Prozesse laufen im User-Space und sind voneinander isoliert; das BS läuft im Kernel-Space.
- Schutz zwischen Prozessen wird durch CPU-Unterstützung ermöglicht.
Systemaufrufe (Systemcalls)
- Systemaufrufe erlauben Prozessen die Interaktion mit dem Betriebssystem.
- Beispiele für wichtige Systemcalls:
open(Datei öffnen),read(aus Dateideskriptor lesen),clone(Prozess replizieren),gettimeofday(Zeit ermitteln). - Linux bietet schätzungsweise 450 Systemfunktionen (x86-64), während Windows über 1000 Systemfunktionen verfügt.
Interrupts
- Interrupts unterbrechen Prozesse und ermöglichen effiziente Ressourcenverwaltung.
- Unterteilung in synchrone (vorhersehbare) und asynchrone (nicht vorhersehbare) Interrupts.
Funktionsweise eines Systemaufrufs
- Systemaufrufe erfordern Wechsel von User-Space zu Kernel-Space durch Software-Interrupts.
- Beispiel für den Aufruf
getpid()in C und Assembler adaptiert den Systemaufruf für die Prozess-ID.
Kompilierung von C-Programmen
- C-Compiler übersetzen menschenlesbare Sprache in maschinenverständliche Codes.
- gcc verwendet den Präprozessor und erzeugt anschließend Assembler- und Objektdateien.
Ressourcenverwaltung im Betriebssystem
- BS verwaltet Konflikte bei der Ressourcennutzung, unterteilt in verschiedene Subsysteme.
- Nutzung von Scheduling-Algorithmen zur Ressourcenverteilung, z.B. CPU, RAM und Grafikspeicher.### Interrupts und Systemaufrufe
- Interrupts sind unterbrechende Signale, die von Hardware oder Software an die CPU gesendet werden.
- Es gibt zwei Hauptarten von Interrupts: Hardware-Interrupts (HW-Interrupts) und Software-Interrupts (z.B. Exceptions).
- Der Intel x86-64 Prozessor kann über 100 verschiedene Hardware-Interruptquellen unterscheiden.
Interrupt-Klassifikation
- Intel dokumentiert die Klassifikation von Interrupts in ihrem "Software Developer's Manual".
- Interrupts und Exceptions unterscheiden sich in ihrer Ursache: Interrupts kommen von externen Geräten, während Exceptions im System selbst auftreten.
Kommunikation zwischen Betriebssystem und Hardware
- Es gibt zwei Methoden für das Betriebssystem zur Kommunikation mit Hardware: Polling und Interrupts.
- Polling bedeutet, dass das Betriebssystem regelmäßig die Hardware nach neuen Daten fragt.
- Interrupts ermöglichen es der Hardware, die CPU zu unterbrechen, um sofortige Aufmerksamkeit zu erhalten.
Ablauf von HW-Interrupts
- Ein Gerät sendet ein Interrupt Signal über eine Interrupt-Leitung an den Mikroprozessor.
- Die laufende Anwendung bemerkt keinen sofortigen Wechsel, kann aber verzögert reagieren.
- Nach dem Empfang des Interrupts wird eine Interrupt-Service-Routine (ISR) aktiviert, um die Daten abzulesen.
- Das Betriebssystem kehrt nach der Behandlung des Interrupts zur unterbrochenen Anwendung zurück.
Besonderheiten bei Interrupts
- Die CPU kann Interrupts maskieren (deaktivieren), um die Verarbeitung der laufenden ISR nicht zu stören.
- Einige HW-Interrupts sind nicht maskierbar, z.B. bei Speicherfehlern.
- Interrupts können unterschiedliche Prioritäten haben und hochpriorisierte Interrupts können ISRs unterbrechen.
Systemaufrufe (Systemcalls)
- Systemaufrufe sind notwendig, um im Kernel-Modus Operationen durchzuführen, die vom User-Space aus initiiert werden.
- Intel 80386 verwendet Software-Interrupts (z.B. int $0x80) für den Wechsel in den Kernel-Modus.
- Neuere Prozessoren bieten schnellere Alternativen, wie sysenter für 32-Bit und syscall für 64-Bit Modi.
Systemaufrufe in C und Assembler
- Beispiel für einen Systemaufruf in C:
PID = getpid(); - Äquivalente Assembleranweisung dazu:
-
movl 0x27, %eax -
int $0x80
-
- Der Wechsel von User- in Kernel-Space wird als Trap bezeichnet.
Messung von Systemaufrufen
- Um die Kosten eines Systemaufrufs zu messen, sind präzise Taktzyklusmessungen erforderlich.
- Beispielcode zur Zeitmessung verwendet den
rdtscBefehl zur Ermittlung der aktuellen Taktzyklen.
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Description
Dieses Quiz behandelt die grundlegenden Konzepte von Betriebssystemen, einschließlich Prozesse, Threads und Systemaufrufe. Sie lernen die Unterschiede zwischen User-Mode und Kernel-Mode sowie die Funktion von Software- und Hardware-Interrupts, speziell in Linux. Bereiten Sie sich darauf vor, Ihr Wissen über Betriebssysteme zu testen!
