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Basisinformationstechnologie I
Wintersemester 2013/14
11. Dezember 2013 – Betriebssysteme

Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de
Seminarverlauf

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16. Oktober: Organisatorisches / Grundlagen I √
23. Oktober: Grundlagen II √

30. Oktober: Grundlagen III √

06. November: Rechnertechnologie I √

20. November: Rechnertechnologie II √

27. November: Rechnertechnologie III √

Dezember, Januar:
 Betriebssysteme
 Programmiersprachen
 Algorithmen und Datenstrukturen
 (Theoretische Informatik)
 Klausurvorbereitung
 05. Februar: Klausur
Themenüberblick „Betriebssysteme“
Betriebssysteme
 Metaphern
 „Datei“
 „Ordner“
 „Desktop“

 Dateiverwaltung
 Prozessverwaltung
 (Arbeits)Speicherverwaltung
Betriebssysteme
Bildquelle Windows: http://www.winhistory.de/index.php
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Blickwinkel (Tanenbaum)
Bottom-Up
„Die Aufgabe eines Betriebssystems besteht darin, eine
geordnete und kontrollierte Zuteilung der Prozessoren,
Speicher und Ein-/Ausgabegeräte an die um sie
konkurrierenden Programme durchzuführen“
(vgl. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 35 ff.)
 Ein Betriebssystem übernimmt die Verwaltung aller Bestandteile eines komplexen Systems

Top-Down
Betriebssysteme verwandeln […] etwas Hässliches in
etwas Schönes […].“
(vgl. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 34)
 Programmiersicht: Ein Betriebssystem stellt Abstraktionen für Anwendungsprogramme bereit
Hässlich  Schön
OS bzw. Benutzungsschnittstelle mit dem
magischen Handschuh: „Minority Report“ (2002)

Bildnachweis: Minority Report (2002), thealarmclock.com.
http://www.thealarmclock.com/mt/archives/2007/12/brad_feld_joins.html
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Betriebssysteme: Intention I

(Interface / GUI)
Bereitstellung elementarer Dienste und
Ressourcen
 Dienste, die (vereinfachten) Zugriff auf Ressourcen
ermöglichen.
 Ressourcen





Rechenzeit (CPU / GPU)
Hauptspeicher
Festplatten- / Wechselmedienspeicherplatz
Interne Geräte wie Erweiterungskarten, OnboardKomponenten (z.B. Onboard Soundkarte, Onboard LAN)
 Externe Geräte, z.B. über USB mit dem Rechner verbunden:
Scanner, Drucker
OS: Metaphern,
Dateiverwaltung
Dateiverwaltung: Metaphern
Dateiverwaltung: Metaphern

Quelle: http://3.bp.blogspot.com/-lpAg_sp3iNg/TadY5hZ7H1I/AAAAAAAAAE4/35Z-MALDS3o/s1600/DavidCarsonsDesktop.jpg
http://www.mikrocontroller.net/articles/Festplatte
Dateizugriff: Adressierungsarten
Absolute Adressierung
D:bitstuffmp3ClarkTed EPClark - 01 - Ted.mp3
Relative Adressierung
./Clark – 01 - Ted.mp3 (dasselbe Verzeichnis)
../*.mp3 (eine Ebene / Ordner höher)
../../*.htm (zwei Ebenen höher)
Hierarchische Dateisysteme

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Dateisystem
NTFS: MFT
Wichtigste Datenstruktur jedes Volumes:
Masterdateitabelle (MFT, Master File Table)
 Lineare Folge von festgelegten 1-KB-Einträgen
 Jeder MFT-Datensatz beschreibt eine Datei oder ein
Verzeichnis
  Enthält die Attribute der Datei (i.e. Name, Zeitstempel,
Liste von Adressen, die angeben, wo auf der Platte die
zugehörigen Blöcke stehen)

 MFT ist selber eine Datei, kann somit irgendwo auf der
Partition liegen
Dateisysteme: MS proprietär
Von FAT-16 zu NTFS:
 FAT-16
 Altes MS-DOS Dateisystem
 Verwendet 16-Bit Adressen,
dadurch Beschränkung von Festplattenpartitionen auf max. 2GB

 FAT-32
 32-Bit Adressen;
Max. 2TB Partitionen

 NTFS
 64-Bit Adressen;
Max. 264 Byte große Partitionen

 Cluster / Clustergrößen
NTFS: Cluster
Viele NTFS Partitionen verwenden 4-KB-Blöcke zur
Speicherung
Kompromiss zwischen:
 Großen Blöcken  effizienter Dateitransfer
 Kleinen Blöcken  geringe interne Fragmentierung
 Knackpunkt: Da das Dateisystem eine Datei als Folge
von Blöcken verwaltet, belegt eine Datei mindestens die
Größe eines Blockes (Default Windows: 4KB) – auch wenn
sie nur 1 Byte an Daten enthält
Fragmentierung
Dateioperationen
Grundmenge an (elementaren) Operationen zur
Verwaltung von Dateien:






Neu
Löschen (unlink)
Kopieren
Umbenennen
Verschieben

 „Einfach verkettete Liste“
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
vs.
Konsolenbasics (Linux)

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

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


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





touch
rm
rmdir
rm -r
cp
ls
less
for (( i = 1 ; i <= 1000; i++ )) do echo “$i" >>
example.txt; done;
cat
Pipe: |
cat example.txt | wc –l
chmod +x
Betriebssystem: Zentrale Aufgaben
Dateiverwaltung √
 Abstraktionen / Schnittstellen für Zugriff auf Low-Level
Funktionen (z.B. der Festplatte) √
 Blöcke / Cluster √
 Fragmentierung √

Prozessverwaltung / Ressourcenverwaltung /
Zeitplanung  Scheduling
Speicherverwaltung
OS-Aufgaben:
Prozessverwaltung
Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme
Begrifflichkeiten: Prozess, Programm, etc.

Rezept  Programm
Informatiker / Informatikerin 
Prozessor (CPU)
Zutaten für den Kuchen 
Eingabedaten
Prozess  Aktivität, die daraus
besteht, dass der Bäcker das
Rezept liest, die Zutaten herbeiholt
und den Kuchen backt
…etwas geschieht…
Prozess, Programm

Der Sohn des kuchenbackenden Informatikers wird
von einer Biene gestochen – was geschieht?
 Der Bäcker wechselt von einem Prozess (Backen) zu
einem höheren Prozess
 I. Erste-Hilfe-Buch zu Rate ziehen (Programm)
 II. Medizinische Hilfe leisten (Prozess)
Prozess
Prozess = „Aktivität jedweder Art“
Prozess umfasst:








Ein Programm
Eingaben
Ausgaben
Zustand

Mehrere Prozesse können sich einen einzelnen
Prozessor teilen (Analogie: Kuchenbäcker) oder auf
mehrere Prozessoren verteilt werden
Eine Schedulingstrategie entscheidet, wann die
Arbeit an einem Prozess unterbrochen und ein
anderer Prozess bedient wird.
Prozess
Arbeitsdefinition „Prozess“: Ein auf einem Rechner
ablauffähiges oder im Ablauf befindliches
Programm, zusammen mit all seinen benötigten
Ressourcen wird als Prozess oder Task
bezeichnet.
Prozesszustände:
Nachdem ein Prozess gestartet wurde, kann er sich
in verschiedenen Zuständen befinden:





rechenbereit
rechnend
suspendiert  rechenbereit
blockiert
Prozessunterbrechung
Jedem Prozess wird vom Betriebssystem ein
eigener Adressbereich zugewiesen
Wird ein Prozess deaktiviert, müssen folgende
Informationen gespeichert werden, um ihn später
reaktivieren zu können:
 der Programmcode des Prozesses
 seine im Arbeitsspeicher befindlichen Daten
 der Inhalt der CPU-Register einschließlich des
Befehlszählers
 eine Tabelle aller geöffneten Dateien mit ihrem
aktuellen Bearbeitungszustand
Prozess vs. Threads
Jeder Prozess verfügt über einen eigenen
Speicherbereich

Threads sind leichtgewichtige Prozesse, verfügen
über keinen eigenen Speicherbereich
Ein Prozess kann aus einem oder mehreren Threads
bestehen
Vorteile von Threads:

 Kommunikation zwischen Threads möglich, die demselben
Prozess zugeordnet sind, da gleicher Adressbereich
 Leichter, d.h. schneller zu erzeugen und wieder zu zerstören
als Prozesse  geringerer Laufzeit-Overhead zur Erzeugung
und Verwaltung von Threads als bei Prozessen
Scheduling / Prozessverwaltung
Prozessverwaltung
Mehrere (rechenbereite) Prozesse konkurrieren um
Rechenzeit

Ist nur eine CPU im System vorhanden, muss
entschieden werden, welcher Prozess als nächstes
läuft.
Der Teil des Betriebssystems, der diese Wahl trifft, wird
als Scheduler bezeichnet (kommt beim präemptiven
Multitasking zum Einsatz)
Abbildung aus: Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 132.
Scheduler / Multitasking
Multitasking / Multithreading = Fähigkeit eines
Betriebssystems, mehrere Aufgaben (Tasks /
Threads) nebeneinander auszuführen
U.a. zwei Verfahren:
 Kooperatives Multitasking
 Auch: Prioritätsabhängige Verwaltung

 Präemptives Multitasking
 Auch: Zeitscheibenverfahren
 Z.B. Round-Robin-Strategie (Rundlauf-Strategie)
OS-Aufgaben:
Speicherverwaltung
Speicherverwaltung
Aufgabe des Betriebssystems: Versorgung der
Prozesse / Threads mit Arbeitsspeicher
 Memory Manager
Prozesse müssen vom OS vor gegenseitiger
Beeinträchtigung durch fehlerhafte Adressierung
gemeinsam benutzter Speicherbereiche geschützt
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Wesentliche Verfahren zur Speicherverwaltung:
 Swapping
 Paging
Speicherverwaltung
Grundproblem: Was geschieht, wenn der
physikalische Arbeitsspeicher voll ist?
 Lösung I (anno pief): Programmierer teilen ihre
Programme manuell in kleine Segmente (sog. Overlays)
auf.
Overlays wurden auf der Festplatte gespeichert und bei
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 Lösung II: Virtueller Speicher
 Swapping
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/

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Bit WiSe 2013 | Basisinformationstechnologie I - 07: Betriebssysteme

  • 1. Basisinformationstechnologie I Wintersemester 2013/14 11. Dezember 2013 – Betriebssysteme Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de
  • 2. Seminarverlauf       16. Oktober: Organisatorisches / Grundlagen I √ 23. Oktober: Grundlagen II √ 30. Oktober: Grundlagen III √ 06. November: Rechnertechnologie I √ 20. November: Rechnertechnologie II √ 27. November: Rechnertechnologie III √ Dezember, Januar:  Betriebssysteme  Programmiersprachen  Algorithmen und Datenstrukturen  (Theoretische Informatik)  Klausurvorbereitung  05. Februar: Klausur
  • 3. Themenüberblick „Betriebssysteme“ Betriebssysteme  Metaphern  „Datei“  „Ordner“  „Desktop“  Dateiverwaltung  Prozessverwaltung  (Arbeits)Speicherverwaltung
  • 10. Blickwinkel (Tanenbaum) Bottom-Up „Die Aufgabe eines Betriebssystems besteht darin, eine geordnete und kontrollierte Zuteilung der Prozessoren, Speicher und Ein-/Ausgabegeräte an die um sie konkurrierenden Programme durchzuführen“ (vgl. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 35 ff.)  Ein Betriebssystem übernimmt die Verwaltung aller Bestandteile eines komplexen Systems Top-Down Betriebssysteme verwandeln […] etwas Hässliches in etwas Schönes […].“ (vgl. Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 34)  Programmiersicht: Ein Betriebssystem stellt Abstraktionen für Anwendungsprogramme bereit
  • 11. Hässlich  Schön OS bzw. Benutzungsschnittstelle mit dem magischen Handschuh: „Minority Report“ (2002) Bildnachweis: Minority Report (2002), thealarmclock.com. http://www.thealarmclock.com/mt/archives/2007/12/brad_feld_joins.html
  • 13. Betriebssysteme: Intention I (Interface / GUI) Bereitstellung elementarer Dienste und Ressourcen  Dienste, die (vereinfachten) Zugriff auf Ressourcen ermöglichen.  Ressourcen     Rechenzeit (CPU / GPU) Hauptspeicher Festplatten- / Wechselmedienspeicherplatz Interne Geräte wie Erweiterungskarten, OnboardKomponenten (z.B. Onboard Soundkarte, Onboard LAN)  Externe Geräte, z.B. über USB mit dem Rechner verbunden: Scanner, Drucker
  • 18. Dateizugriff: Adressierungsarten Absolute Adressierung D:bitstuffmp3ClarkTed EPClark - 01 - Ted.mp3 Relative Adressierung ./Clark – 01 - Ted.mp3 (dasselbe Verzeichnis) ../*.mp3 (eine Ebene / Ordner höher) ../../*.htm (zwei Ebenen höher)
  • 20. NTFS: MFT Wichtigste Datenstruktur jedes Volumes: Masterdateitabelle (MFT, Master File Table)  Lineare Folge von festgelegten 1-KB-Einträgen  Jeder MFT-Datensatz beschreibt eine Datei oder ein Verzeichnis   Enthält die Attribute der Datei (i.e. Name, Zeitstempel, Liste von Adressen, die angeben, wo auf der Platte die zugehörigen Blöcke stehen)  MFT ist selber eine Datei, kann somit irgendwo auf der Partition liegen
  • 21. Dateisysteme: MS proprietär Von FAT-16 zu NTFS:  FAT-16  Altes MS-DOS Dateisystem  Verwendet 16-Bit Adressen, dadurch Beschränkung von Festplattenpartitionen auf max. 2GB  FAT-32  32-Bit Adressen; Max. 2TB Partitionen  NTFS  64-Bit Adressen; Max. 264 Byte große Partitionen  Cluster / Clustergrößen
  • 22. NTFS: Cluster Viele NTFS Partitionen verwenden 4-KB-Blöcke zur Speicherung Kompromiss zwischen:  Großen Blöcken  effizienter Dateitransfer  Kleinen Blöcken  geringe interne Fragmentierung  Knackpunkt: Da das Dateisystem eine Datei als Folge von Blöcken verwaltet, belegt eine Datei mindestens die Größe eines Blockes (Default Windows: 4KB) – auch wenn sie nur 1 Byte an Daten enthält
  • 24. Dateioperationen Grundmenge an (elementaren) Operationen zur Verwaltung von Dateien:      Neu Löschen (unlink) Kopieren Umbenennen Verschieben  „Einfach verkettete Liste“
  • 26. vs.
  • 27. Konsolenbasics (Linux)             touch rm rmdir rm -r cp ls less for (( i = 1 ; i <= 1000; i++ )) do echo “$i" >> example.txt; done; cat Pipe: | cat example.txt | wc –l chmod +x
  • 28. Betriebssystem: Zentrale Aufgaben Dateiverwaltung √  Abstraktionen / Schnittstellen für Zugriff auf Low-Level Funktionen (z.B. der Festplatte) √  Blöcke / Cluster √  Fragmentierung √ Prozessverwaltung / Ressourcenverwaltung / Zeitplanung  Scheduling Speicherverwaltung
  • 31. Begrifflichkeiten: Prozess, Programm, etc. Rezept  Programm Informatiker / Informatikerin  Prozessor (CPU) Zutaten für den Kuchen  Eingabedaten Prozess  Aktivität, die daraus besteht, dass der Bäcker das Rezept liest, die Zutaten herbeiholt und den Kuchen backt
  • 33. Prozess, Programm Der Sohn des kuchenbackenden Informatikers wird von einer Biene gestochen – was geschieht?  Der Bäcker wechselt von einem Prozess (Backen) zu einem höheren Prozess  I. Erste-Hilfe-Buch zu Rate ziehen (Programm)  II. Medizinische Hilfe leisten (Prozess)
  • 34. Prozess Prozess = „Aktivität jedweder Art“ Prozess umfasst:       Ein Programm Eingaben Ausgaben Zustand Mehrere Prozesse können sich einen einzelnen Prozessor teilen (Analogie: Kuchenbäcker) oder auf mehrere Prozessoren verteilt werden Eine Schedulingstrategie entscheidet, wann die Arbeit an einem Prozess unterbrochen und ein anderer Prozess bedient wird.
  • 35. Prozess Arbeitsdefinition „Prozess“: Ein auf einem Rechner ablauffähiges oder im Ablauf befindliches Programm, zusammen mit all seinen benötigten Ressourcen wird als Prozess oder Task bezeichnet. Prozesszustände: Nachdem ein Prozess gestartet wurde, kann er sich in verschiedenen Zuständen befinden:     rechenbereit rechnend suspendiert  rechenbereit blockiert
  • 36. Prozessunterbrechung Jedem Prozess wird vom Betriebssystem ein eigener Adressbereich zugewiesen Wird ein Prozess deaktiviert, müssen folgende Informationen gespeichert werden, um ihn später reaktivieren zu können:  der Programmcode des Prozesses  seine im Arbeitsspeicher befindlichen Daten  der Inhalt der CPU-Register einschließlich des Befehlszählers  eine Tabelle aller geöffneten Dateien mit ihrem aktuellen Bearbeitungszustand
  • 37. Prozess vs. Threads Jeder Prozess verfügt über einen eigenen Speicherbereich Threads sind leichtgewichtige Prozesse, verfügen über keinen eigenen Speicherbereich Ein Prozess kann aus einem oder mehreren Threads bestehen Vorteile von Threads:  Kommunikation zwischen Threads möglich, die demselben Prozess zugeordnet sind, da gleicher Adressbereich  Leichter, d.h. schneller zu erzeugen und wieder zu zerstören als Prozesse  geringerer Laufzeit-Overhead zur Erzeugung und Verwaltung von Threads als bei Prozessen
  • 39. Prozessverwaltung Mehrere (rechenbereite) Prozesse konkurrieren um Rechenzeit Ist nur eine CPU im System vorhanden, muss entschieden werden, welcher Prozess als nächstes läuft. Der Teil des Betriebssystems, der diese Wahl trifft, wird als Scheduler bezeichnet (kommt beim präemptiven Multitasking zum Einsatz) Abbildung aus: Tanenbaum: Moderne Betriebssysteme. 2009, S. 132.
  • 40. Scheduler / Multitasking Multitasking / Multithreading = Fähigkeit eines Betriebssystems, mehrere Aufgaben (Tasks / Threads) nebeneinander auszuführen U.a. zwei Verfahren:  Kooperatives Multitasking  Auch: Prioritätsabhängige Verwaltung  Präemptives Multitasking  Auch: Zeitscheibenverfahren  Z.B. Round-Robin-Strategie (Rundlauf-Strategie)
  • 42. Speicherverwaltung Aufgabe des Betriebssystems: Versorgung der Prozesse / Threads mit Arbeitsspeicher  Memory Manager Prozesse müssen vom OS vor gegenseitiger Beeinträchtigung durch fehlerhafte Adressierung gemeinsam benutzter Speicherbereiche geschützt werden Wesentliche Verfahren zur Speicherverwaltung:  Swapping  Paging
  • 43. Speicherverwaltung Grundproblem: Was geschieht, wenn der physikalische Arbeitsspeicher voll ist?  Lösung I (anno pief): Programmierer teilen ihre Programme manuell in kleine Segmente (sog. Overlays) auf. Overlays wurden auf der Festplatte gespeichert und bei Bedarf dynamisch vom Betriebssystem ein- und ausgelagert.  Lösung II: Virtueller Speicher  Swapping  Paging
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