Grundlagen

Betriebssysteme

Ein Betriebssystem dient als Schnittstelle zwischen Computer-Hardware und Nutzer und soll diesem eine möglichst unkomplizierte Verwendung des Computers ermöglichen.

Wichtige Bestandteile (u.a.):

• Hardware-Treiber
• Kernel
• Nutzer-Software und -Interfaces (oft Graphical User Interface)
• Subsysteme für Virtualisierung u.ä.

Wichtige Aufgaben (u.a.):

• Prozessverwaltung (Fairness, Prioritäten, non-blocking)
• Speicherverwaltung (Virtual Memory, Schutz der Prozesse gegeneinander)
• Festplattenverwaltung (externes Dateisystem)
• Geräteverwaltung (Abhängigkeiten und Zugriffe verwalten)
• Batch Processing (mehrere Nutzer zugleich, transparent)
• Fehler-Erkennung
• Schutz und Sicherheit (inkl. Logging)

Anforderungen (u.a)

• Minimierung des Stromverbrauchs
• Effiziente Ressourcen-Verwaltung (Speicher, CPU-Kerne, uvm.)
• Schutz vor internen und externen Gefahren für Nutzer und System bieten
• Nutzerfreundlichkeit gewährleisten

Nutzerfreundlichkeit, Sicherheit und Effizienz sind zugleich auch die obersten Design-Ziele bei der Entwicklung eines Betriebssystems

Ziele von Windows NT

• Portabilität: Unterstützung verschiedener und immer neuer Architekturen
  • Hardware Abstraction Layer (HAL) versteckt Maschinen-spezifische Details
  • Unterstützung für x86, MIPS, Alpha AXP, PowerPC, Itanium
• Erweiterbarkeit: Code muss an Erwartungen des Marktes angepasst werden können
• Zuverlässigkeit: Schutz des Betriebssystems gegen Prozesse sowie dieser untereinander
• Kompatibilität: bestehende MS-DOS APIs und Programme weiter unterstützen
  • darüber hinaus Kompatibilität mit UNIX, OS/2 und NetWare
  • Subsysteme für Windows, OS/2 und POSIX (nach relevanz sortiert)
    • dienen der Ausführung von Programmen, die für andere Betriebssysteme / APIs geschrieben wurden
• Performance: Schnelligkeit und Responsivität im Rahmen der anderen Design-Ziele optimieren
• Architektur:
  • symmetrisches Multiprocessing unterstützen
  • Varianten für Client & Server (Unterschied u.a. in Standard-Quantum-Länge)
• POSIX-Einhaltung

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Interrupts

Ein Interrupt ist ein Signal an die Control-Einheit, das von verschiedenen Quellen zum Beispiel in den folgenden Fällen gesendet werden kann, um den aktuellen Programmablauf zu unterbrechen:

• I/O-Prozess fertig
• Nutzeranfrage eingegangen
• Software- oder Hardware-Prozess gescheitert

Man unterscheidet zwischen

• Hardware-Interrupts: Absender ist Hardware-Komponente
• Software-Interrupts: Absender ist Software-Komponente und nutzt Betriebssystem-Aufrufe wir INT zur Anforderung besonderer Behandlung
  • auch als trap oder exception bezeichnet

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User- und Kernel-Mode

Unterteilung dient Schutz des Betriebssystem und anderer Systemkomponenten vor unberechtigtem und ggf. schädlichem Zugriff.

• Mode-Bit: definiert aktuellen Modus | fest in die Hardware des Computers implementiert
• einige Instruktionen sind privilegiert und können nur im Kernel-Mode ausgeführt werden

Systemaufrufe

Systemaufrufe sind vom Betriebssystem unter anderem für Nutzer-Software bereitgestellte Schnittstellen, die Zugriff auf grundlegende Funktionen des Betriebssystems ermöglichen.

• sofern notwendig, wechselt das Betriebssystem dazu selbstständig in den Kernel-Mode
  • z.B. Speicher- bzw. Prozessverwaltung nur im Kernel-Mode möglich (Konkurrenz der Prozesse)
• Änderung des Mode-Bits wird anschließend wieder rückgängig gemacht, um unautorisierten Zugriff auf den Kernel-Mode zu verhindern

Kernel-Philosphien

• Monolithischer Kernel: wichtige Hardware-Treiber wie etwa ein Graphikkartentreiber sowie andere erweiterte Funktionen direkt im Kernel enthalten
  • einfache Bedienbarkeit
  • schnelle und direkte Zugriffe auf Speicher und CPU (Geschwindigkeit)
• Mikrokernel: minimale Menge an Betriebssystem-Funktionen verfügbar
  • kann durch Prozesse im User-Mode, die etwa als Hardware-Treiber fungieren, erweitert werden
• Layered: Unterteilung des Betriebssystems in Schichten, wobei jede Schicht nur Funktionalität aus den darunterliegenden Schichten verwendet
  • Hardware (Layer 1) $\to$ User Interface (Layer $n$)
  • loadable kernel modules (LKMs) funktionieren ähnlich, sind aber flexibler (ersetzbar, nur Kommunikations-Interface vorgeschrieben)

Typische Kerneldatenstrukturen

• Linked list (singly, doubly, circular)
• Binary search tree
• Hash map
• Bitmap

Implentierungsorte

Kernel Space:

• CPU-, Speicher- und Input / Output-Verwaltung
• Verwaltung mehrerer Prozessoren, Diagnosen und Tests
• Teile des Dateisystems und Netzwerk-Interfaces

User Space:

• Compiler, Assembler, Interpreter und Linker / Loader
• Dateisystem- und Netzwerk-Verwaltung
• Nutzerprogramme (z.B. Office-Suite)

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Nutzer-Schnittstellen

Shell

Die Shell ist eine Schnittstelle, über die Benutzer mit dem Betriebssysteme kommunizieren können

• z.B. Programme starten, Prozesse erzeugen oder beenden und Dateien verwalten
• Betriebssystem-spezifische Syntax
  • z.B. $ sort <file1 >file2
• Command-Interpreter, Pseudo-Terminal

Terminal

Ein Terminal ist ein Container, in dem eine Shell läuft

• historisch gesehen ein eigenes Gerät (Monitor + Tastatur)
• heutzutage oft eine App, die eine Shell startet (nicht unbedingt graphisch)

System-Aufrufe

Nutzerprogramme greifen über System-Aufrufe auf Betriebssystem-Funktionen zu

• Parameter werden per trap, Register oder Stack übergeben
• werden meist mittels einer high-level API verwendet (Windows API, POSIX API oder Java API)
• Interaktion oft indirekt über system services

Man unterscheidet 6 Typen von System-Aufrufe:

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UNIX-Werkzeuge

Man-Pages

Sammlung von Hilfe- und Dokumentationsseiten unter Unix und verwandten Betriebssystemen. Unterteilt in:

1. User Commands and Deamons
2. System Calls and Kernel Services
3. Subroutines
4. Special Files, Device Drivers and Hardware
5. Configuration Files
6. Games
7. Miscellaneous Commands
8. Administrative Commands and Deamons

Beispielverwendung: man 2 kill

Weitere Befehle

• whereis: Speicherort von Executables, man pages und Programm-Quellen finden
• find: Flexible Dateisuche
• objdump: Informationen zu Objekt-Dateien ausgeben
• nm: Informationen zu Symbolen in Objekt-Dateien ausgeben
• strace: Systemaufrufe abfangen und ausgeben

Debugging

• core dump file: Prozessspeicher zum Zeitpunkt eines Fehlers
• crash dump file: Kernelspeicher zum Zeitpunkt eines Fehlers
• Tracing: z.B. mittels strace, gdb (source-level debugger), perf (Unix performance tools) u.ä.
  • BPF Compiler Collection (BCC): Große Sammlung an Tracing-Tools für Unix

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Evolution von Betriebssystemen

Windows-Komponenten