Informatik (Fach) / Betriebssysteme (Lektion)

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  • Betriebssystem Aufgaben - Anpassung der Maschinenwelt an die Benutzerbedürfnisse - Regelung des Zugriffs auf Ressourcen - Verwaltung von Daten und Programmen - Effiziente Ausnutzung der Betriebsmittel - Unterstützung bei Fehlern ...
  • Sicht aufs Betriebssystem Virtuelle Maschine (TOP-DOWN ... - Bietet dem Programmierer eine einfache, abstrakte Sicht auf die Hardware - Reale low-level Eigenschaften werden versteckt.
  • Sicht aufs Betriebssystem Ressourcenmanager (BOTTOM-UP-Sicht) ... - Verwaltet Prozessoren, Speicher, Platten, Terminals... - koordiniert den Zugriff von Anwendungen auf Ressourcen.
  • Betriebssystem Funktion -steuert/verwaltet die Computer-Ressourcen ( Betriebsmittel ) -funktioniert wie normale software: ist ein Programm was auf CPU ausgeführt wird -ist ein besonderes Programm: lenkt den Prozessor bei der ...
  • Prozessbereich - eigentliche Funktionen des BS werden erbracht
  • Kernbereich ( kernel ) - die erforderliche Infrastruktur für Prozesse wird bereitgestellt
  • Benutzermodus vs Systemmodus ( CPU ) darf nur von systemmodus(privilgierter modus) ausgeführt werden:        -lesen/schreiben bestimmter register        - primitive E/A-Befehle        -Speicherverwaltung -bit im programmstatus ...
  • Mikrokernarchitektur - es sind nur essentiele BS-Funktionen im Kern enthalten ( z.B. Prozessverwaltung und Prozesskommunikation )
  • Makrokernarchitektur - es wird beispielsweise auch das Dateisystem im Kern realisiert ( z.B. UNIX/Windows )
  • Monolithischer BS-Kern vs Monolithischer BS-Makrokern ... Monolithischer BS-Kern- keine Trennung zwischen BS und App. -geeignet für statische Systeme, da bei großen BS Die prozeduren Fehleranfällig sind ( bsp. MS-DOS)Monolithischer BS-Makrokern-Trennung ...
  • Prozess -Programm in Ausführung, inkl   -aktueller wert des Programmzählers   -Registerinhalt   - Belegung der Variablen -Jedem Prozess wird ein Adressraum zugeordnet
  • Vorteile und Nachteile Mikrokern ggnüber Monolithisch ... -Vorteile: -Sicherheit und Stabilität: Kern wird nicht durch fehlerhafte Dienste in Mitleidenschaft gezogen -Flexibilität und Erweiterbarkeit: Dienst kann hinzugefügt oder entfernt werden -Portierbarkeit: ...
  • Systemaufruf Abfolge Bedienung           (was der benutzer macht) Abwicklung          (BS-Kommandos ( shell )) Anwendung Verwaltung logischer Betriebsmittel Betrieb logischer Betriebsmittel Verwaltung realer Betriebsmittel ...
  • Schematische Vorgehensweise Systemaufruf -Benutzerprogramm hinterlegt Parameter an einer vorher vereinbartenStelle (Speicheradresse, Register) und signalisiert dem BS durchspezielle Befehle, dass ein Systemaufruf ausgef¨uhrt werden soll. -Das ...
  • Prozessabbild im BS -Benutzer Programm (das der prozess ausführt) und -Daten -Systemstapel (stack) für prozeduraufrufe und Parameterübergabe -Prozesskontrollblock ( PCB )
  • Prozesskontrollblock ( PCB ) - Datenstruktur, der im Kern platziert wird. -enthält:    -Prozesscharakteristika (prozesskennung, name)    -Zustandsinformationen (Befehlszähler, stapelzeiger, registerinhalte)    -Verwaltungsdaten ...
  • Deamons Hintegrund-Prozesse, die Anfragen nach Emails, Webseiten, Druckenu.s.w. bearbeiten
  • Statische vs Dynamische Betriebssysteme statisch:    - Prozesse und ihre PCBS werden beim Systemstart einmalig erzeugt Dynamisch:    -Prozesse werden mittels Kernoperationen erzeugt / gelöscht
  • realer / virtueller prozessor -realer prozessor ist der tatsächlich arbeitende prozessor -virtueller prozessor: eine kontinuierlich scheinende Folge vonNutzungsabschnitten realer Prozessoren zur Programmausf¨uhrung
  • Umschaltung durch Sprung - im prozess einprogrammiert -umschaltstelle muss gemerkt werden bestehend aus            -fortsetzadresse   ( wo wurde die arbeit utnerbrochen )            -sprungbefehl      ( was wird ...
  • Mögliche kriterien für auswahl des nächstes prozesses ... Nummer des Prozesses (z. B. zyklisches Umschalten) Ankunftsreihenfolge (wer fr¨uher bereit ist) Priorität (Dringlichkeit)   konstant   veränderlich
  • Umschalten mit Kontextwechsel schematisch save context of p_runselect p_nextsave next instruction of p_runjump to p_next.ni             -> zum nächsten prozessp_run:=p_next                       <- Fortsetzungsstelleload conext ...
  • Prozess / Thread -Prozess besitzt genau einen Adressraum -Thread teilt sich einen Adressraum mit anderen Threads
  • Interaktionsarten von Prozessen (3) -Kommunikation -Kooperation -Synchronisation
  • Signalisierung -Art der Synchronisation -signal (s)        swait(s) -swait macht buisy waiting und der Prozess sollte die CPU freigeben, falls es zulange dauert -symmetrischer ansatz führt zu Synchronisierung
  • Sperren -darf keine Überlappung der Ausführungen geben -gegenseitiger Aussschluss -wird in schleifen abgefragt, weil zwischen dem Deblockieren des wartenden Prozesses und seinem Setzen der Sperre ein weiterer ...
  • Kanal -Datenobjekt, was die Operationen Senden und Empfangen für Prozesse zur Verfügung stellt. -Parameter von send und receive:       -Name des Kanal(objekt)s (CO)     -Adresse eines Behälters: ...
  • Ports -Eingangsports/Ausgangsports sind n:1 oder 1:n Kanäle
  • Pipe Die Pipe hat eine begrenzte Kapazit¨at. Lokaler Mechanismus zwischen genau zwei Prozessen Ist die Pipe voll, so wird der sendende (schreibende) Prozess blockiert. Ist die Pipe leer, so wird der empfangende ...
  • Socket Sockets sind Endpunkte einer Duplex-Verbindung fur nichtlokale ¨Kommunikation, z. B. zwischen Computern (verteilte Systeme) Ein Socket kann von mehreren Prozessen benutzt werden Verschiedene Socket-Typen ...
  • Semaphor -Semaphore sind Z¨ahlsperren: sie k¨onnen einer bestimmten Anzahl von Prozessen das Betreten des kritischen Abschnitts erlauben
  • Monitor Expliziter Umgang mit Sperren und Semaphoren ist fehleranf¨allig. Wunschenswert w ¨ ¨are ein automatisches Sperren/Freigeben. Ein Objekt, das den gegenseitigen Ausschluss von Prozessen sicherstellt, ...
  • Monitor potentielles Problem und Lösung -W¨ahrend ein Prozess auf eine Bedingung (z. B. count > 0 bei fetch) wartet, muss der Monitor fur andere Prozesse freigegeben werden, ¨ sonst k¨onnen sich Prozesse gegenseitig blockieren: z.B. kein ...
  • Dienstleistungsbeziehung -server client system -Der Client sendet einen Auftrag an den Server. Der Server nimmt den Auftrag entgegen, bearbeitet ihn, schickt das Ergebnis an den Client, und wartet auf den n¨achsten Auftrag -Ein ...
  • Parallelität im Server: Reproduktion Der Server-Prozess wird in mehreren identischen Kopien zur Verfugung gestellt. ¨ Alle diese identischen Prozesse entnehmen ihre Auftr¨age einem gemeinsamen Eingangskanal. Dem Client bleibt die Reproduktion ...
  • Parallelit¨at im Server: Fließband (Pipeline) -Prozesse werden in Teile geschnitten, mit evtl. Zwischenlager zwischen ihnen -Eigenschafte: beliebig viele Auftr¨age im Fließband kein Uberholen (wenn innere Kan ¨ ¨ale FIFO, d. h. reihenfolgetreu) ...
  • Parallelit¨at im Server: Multiplexbetrieb -Bei komplexeren Servern mit Unterauftr¨agen an andere Server tretenmehrere Wartestellen auf. -ähnlich wie Prozessor mit Prozessen arbeitet -Der Prozess ”h¨angt“ an einer Empfangsoperation, k¨onnte ...
  • Scheduling: FCFS -FIFO Arbeitsweise: Bearbeitung der Prozesse in der Reihenfolge ihrer Ankunft Prozessorbesitz bis zum Ende oder zur freiwilligen Aufgabe.
  • Scheduling: LCFS -LIFO Arbeitsweise: Bearbeitung der Prozesse in der umgekehrten Reihenfolge ihrer Ankunft in der Bereitliste. Prozessorbesitz bis zum Ende oder zur freiwilligen Aufgabe.
  • Scheduling: LCFS-PR -LIFO Preemptive Arbeitsweise: Neuank¨ommling in Bereitliste verdr¨angt den rechnenden Prozess, d.h. Letzter wird Erster. Verdr¨angter Prozess wird hinten in die Warteschlange eingereiht. Falls keine ...
  • Scheduling: RR -Round Robin Arbeitsweise: Bearbeitung der Prozesse in Ankunftsreihenfolge. Nach Ablauf einer festgesetzten Frist (Zeitscheibe, time slice) findet eine Verdr¨angung statt und es wird auf den n¨achsten ...
  • Scheduling: PRIO-NP -Priorität nonpreemptive Arbeitsweise: Neuank¨ommlinge werden nach ihrer Priorit¨at in die Bereitliste eingeordnet Prozessorbesitz bis zum Ende oder bis zur freiwilligen Aufgabe.
  • Scheduling: Prio-P -Priorities-Preemptive Arbeitsweise: Wie PRIO-NP, jedoch mit Verdr¨angungsprufung: der rechnende Prozess ¨ wird verdr¨angt, wenn er geringere Priorit¨at hat als der Neuank¨ommling Problem: Problem ...
  • Scheduling: SPN -Shortest Process next Arbeitsweise: Prozess mit der kurzesten Bedienzeit wird als n ¨ ¨achster bis zum Ende oder bis zur freiwilligen Aufgabe bearbeitet. Wie PRIO-NP, aber die Bedienzeit wird als ...
  • Scheduling: SRTN - Shortest Remaining Time Next, Preemptive Arbeitsweise: Prozess mit der kurzesten Restbedienzeit wird als n ¨ ¨achster bearbeitet Rechnender Prozess kann verdr¨angt werden. Analyse: 1) sie ben¨otigen ...
  • Scheduling: HRN -Highest Response Ratio Next Arbeitsweise: Der Wert rr (Wartezeit+Bedienzeit)/Bedienzeit  wird dynamisch berechnet und als Priorit¨at verwendet: der Prozess mit dem gr¨oßten rr-Wert wird als n¨achster ...
  • Scheduling: FB-Strategie -Feedback Strategie Kennt man die Bedienzeit a priori nicht, m¨ochte aber lang laufende Prozesse benachteiligen, so kann man den Prozess nach jeder CPU-Benutzung in seiner  Priorit¨at“ schrittweise ...
  • Schätzung der Länge der Rechenphasen - Prozesse zeigen oft ein ”station¨ares“ Verhalten, d. h. man kann auf Grund der Kenntnis des Verhaltens in der jungsten Vergangenheit auf ¨ die kurzfristige Zukunft schließen. -man berechnet ...
  • Multiprozessoraspekte beim Scheduling War ein Prozess vorher (letzte Zeitscheibe) auf Prozessor p, so besteht die Chance, dass noch wesentliche Teile seines Adressraums im Cache von p vorhanden sind und er deswegen dort schneller läuft Daher ...
  • Scheduling: Sollzeitpunkte -deadlines für wichtige Prozesse hard real-time systems: Verletzung bedeutet Ausfall des Systems undkann nicht toleriert werden (Beispiel: Airbag, Antiblockiersystem). soft real-time systems: Verletzung ...