Kapitel 1 - Einleitung Betriebsysteme

Einleitung - BS Definition

Definieren Sie den Begriff Betriebsystem!

Wie sieht das Ebenen- oder Schichtenmodell eines Rechners aus?

1. Gatter Ebene
2. Mikroprogrammebene
3. konventionelle Maschinenebene
4. Betriebssystemebene API
5. Assemblerebene
6. Anwendungsebene

Worin Unterscheiden sich Betriebssysteme?

• universal oder dezidiert (Multi-Task / Single-Task)
• eine oder mehrere Sitzungen (Windows < XP, Linux)
• Kommunikation mit der Umwelt (Batch, interaktiv oder in Echtzeit)

Was sind die drei Welten des Betriebsystems?

• Betriebssystem selbst
• Komplexe Werkzeuge, wie aufgesetzte Dienste oder Virtuelle Maschinen
• Programmiersysteme zur Entwicklung von Erweiterungen

Welche Aufgaben hat ein Betriebsystem?

1. Abstraktion der Hardware, d.h. Schließen der so genannten 'Semantischen Lücke' zwischen Mikroprogrammebene und der Anwendungsebene
2. Betriebsmittelverwaltung
3. Steuerung von Peripheriegeräten (I/O, Festplatten...)
4. Steuerung des Betriebsablaufs durch Prozessverwaltung und -Kommunikation und Organisation des Mehrprogrammbetriebes
5. Protokollierung, Schutz und Sicherheit
6. Behandlung von Ausnahmesituationen, wie Page Faults, Division by Zero u.s.w.
7. Bereitstellung einer Kommandosprache
8. Unterstützung von Administrationsaufgaben (Datensicherung, Systemkonfigurierung, Benutzerrechte)

Was ist ein Modell?

Welche drei Punkte sind bei der Realisierung eines BS grundlegend?

Kapitel 2 - Modelle

Vor- und Nachteile von Schalen- und Modulmodellen

• Relationen der einzelnen Schalen sind zur Umwelt nicht sichtbar
• System ist aber gut strukturiert
• Innere Schalen sind sehr gut abgeschirmt von den Äußeren

• Das Modell wird in Modulen durch Programmcode beschrieben
• die Relationen werden daher extrem komplex (quatradisch)
• Daher ist es nur bei kleinen Modellen umsetzbar

Wie ist das hierarchische Schichtenmodell aufgebaut?

• Schichten
• Iterative Ordnungsrelation der Schichten (Dienste, Steuerungen bzw. Instanzen)
• Betriebsmittel
• Funktionen zum Erzeugen von Betriebsmitteln und Steuerungen

Welche Vorteile hat das hierarchisch Schichtenmodell?

• obwohl modularisiert, ist die Zahl der Relationen gering
• Kommunikation mit der Umwelt ist möglich
• Es bietet eine Infrastruktur für Instanzen (Steuerung, BM-Transformationen)

Was ist ein Betriebsmittel?

• ID (eindeutiger Identifikator)
• Adressbereich (für alle möglichen Adressen des Betriebsmittels)
• Wertebereicht (aller möglichen Werte für einen Wert des BM)
• Funktion (verknüpft die abstrakten Elemente miteinander)

Welche Klassen von Betriebsmitteln gibt es?

• Entziehbarkeit (entziehbar wie Prozessor oder nicht wie Dateideskriptor)
• Zuteilbarkeit (gleichzeitig wie Speicher oder exklusiv wie Prozessor oder Drucker)
• Wiederverwendbarkeit (einmalig Nutzbar wie Interrupt oder mehrfach wie Prozessor oder Speicher)
• Hardware / Software (logisches oder physikalisches Betriebsmittel)

Vorgehensweise beim Erstellen eines Betriebsmittels

1. ID bestimmen
2. abstrakte Elemente bestimmen, welche einen Wert und eine Adresse besitzen
3. Wert und Adresse festlegen
4. Funktionen definieren, welche Zugriff auf alle Elemente ermöglichen

Erläutern sie die Betriebsmittelerstellung am Bsp. Hauptspeicher!

1. Eine ID ist hier nicht sinnvoll, da ein von-Neumann Rechner nur einen Hauptspeicher hat.
2. die abstrakten Elemente sind die ansprechbaren Speicherzellen mit Adresse und Wert.
3. Der Wertebereich beträgt 0 bist 255 bei einem Byte-Orientierten Speicher
4. Funktionen sind Read und Write eines Elementes zum Speicher

Was ist eine Instanz?

Wechle Klassen von Instanzen kennen Sie?

• Applikationen
• Betriebsmittel-Transformatoren
• Metasteuerungen wie PUM

Wie können Relationen zwischen Instanzen technisch hergestellt werden?

Kapitel 3 - Aktivitäten

Was ist ein Aktivitätstoken?

• Ist sehr abstrakt zu sehen
• Ein Aktivitätstoken haucht dem Programm erst "Leben" ein
• Beschreibt ein aktiven oder wartenden Prozess
• Es muss eine Art virtuellen Programmcounter im eigenen virtuellen Steuerwerk des Prozesses geben

Was ist Multitasking?

Welche Aktivitäten gibt es und worin unterscheiden sie sich?

Welche Betriebsmittel benötigt eine Aktivität mindestens?

• Programmcode
• Hauptspeicher
• Steuerwerk

Wodurch wird ein Prozess beschrieben?

• ein im System eindeutiger Identifikator (PID)
• Liste mit Betriebsmittel-Forderungen
• Liste mit zugeteilten Betriebsmitteln
• Ein Folge der bisherigen Anweisungen
• Die Anfangswertbelegungen der zugeteilten Betriebsmittel

Welche Probleme treten mit Prozessen auf?

• Determiniertheit (Durch Mehrfachverwendung von Betriebsmitteln ist diese so nicht mehr gegeben und Synchronisation wird notwendig)
• Mutual Exclusion
• Synchronisation (Abstimmung zwischen Threads)
• Kommunikation (Synchronisation und Austausch von Daten zwischen Prozessen)
• Lebendigkeit

Welche Zustände kann ein Prozess einnehmen?

• nicht existent (Prozess noch nicht definiert)
• bereit (besitzt alle angeforderten Betriebsmittel außer den Prozessor)
• aktiv (besitzt mindestens die angeforderten Betriebsmittel)
• wartend (wartet noch auf noch nicht zugeteilte Betriebsmittel)

Wie wird ein Prozess im Unix erstellt?

• mit Systemaufruf fork() wird ein komplettes Speicherabbild eines schon bestehenden Prozesses erzeugt (bei NT wird Prozess mit einem Initialzustand erstellt)
• Deshalb erben neue Prozesse eventuelle Variablen des Vaterprozesses

For ( i=1; i<3; i++) fork();

Einige Unix-Systembefehle zur Prozesserzeugung:

• fork(), vfork() zum Prozesserstellen mit Speicherabbild des Vaters
• clone() erstellt einen Prozess der der den Speicher und Deskriptoren mit Vater teilt
• execl(), execv(), execle(), execlp(), execvp() zum Kopieren eines Programms in den Speicher
• wait(), waitpid() zum Warten auf Ende des Sohnprozesses
• exit() zum Beenden eines Prozesses

Ein Beispielcode für eine Einfache Unix-Shell

#include sys/types.h
#include sys/wait.h
#include unistd.h
#include stdlib.h
#include stdio.h
#include string.h

using namespace std;


int main(void){

pid_t pid; //für PID des Sohnes 
char str1[1000]; //Befehlsbuffer

while(1)
{

	printf("\nDiggs mini bash. (PID=%d)\n\n",getpid());
	printf("> ");

	scanf("%s",str1); //Befehl lesen

	if (strcmp(str1,"exit")==0) break; //exit beendet

	if ((pid=fork())<0) //Prozess kopieren
	{
		printf("EXEC Operation failed!\n\n");
		exit(0);
	}

	if (pid==0) //im Sohnprozess exec
	{	    			
		char *cmd=strtok(str1," ");
		execlp (cmd,cmd,0); //Speicher überschreiben
		
		printf("command not found!\n");
		exit(0); //manuell terminieren

	} //Vaterprozess muss warten
	else waitpid(pid,0,0);	
	}

return 0; 
}

gcc minishell.cc -o minishell 

Wie werden Prozesse verwaltet?

Was ist Timesharing?

Was sind virtuelle Geräte bzw. Betriebsmittel?

Kapitel 4 - Kritischer Abschnitt

Was ist ein Kritischer Abschnitt?

Erklären sie am Bsp. Druckerspooler den kritischen Abschnitt!

1. in Spooler ist der Platz 4 frei
2. Prozess A will drucken und liest die Platznummer
3. PUM aktiviert Prozess B, welcher ebenfalls diese Platznummer liest
4. Prozess B schreibt den Auftrag nach Platz 4
5. PUM schaltet zu A zurück und A überschreibt nun den Druckauftrag von B!

Warum werden keine Interrupt Unterbrechungen zur Synchronisation verwendet?

Was ist wechselseitiger Ausschluss?

Welche Anforderungen muss eine Steuerung für kritische Abschnitte erfüllen?

1. exklusive Nutzung durch verschiedene Teilprozesse über mutual exclusion
2. Ein Prozess darf einen anderen nur behindern, wenn beide im kritischen Abschnitt
3. Der Eintritt in einen kritischen Abschnitt darf nicht lang dauern
4. Alle Prozesse müssen in endlicher Zeit ihre Betriebsmittel zugewiesen bekommen
5. globale Unabhängigkeit von allgemeinen Fortschreiten der Prozesse

Welche dezentralen Steuerungen kennen Sie? (aktives Warten)

• Test and Set Lock
• Ping-Pong (Striktes Alternieren)
• Decker Algorithmus
• Peterson Algorithmus

Wie arbeitet Striktes Alternieren? (Ping Pong)

While (1)
{
	while (turn!=FALSE);
	criticalsection();
	turn = TRUE;
	notcriticalstuff();
}

While (1)
{
	while (turn!=TRUE);
	criticalsection();
	turn = FALSE;
	notcriticalstuff();
}

Wie schaut Peterson's Algorithmus aus?