Zusammenfassung/Übersicht GBI2 Wintersemester 2008/09 Lektion 1

Zusammenfassung/Übersicht GBI2
Wintersemester 2008/09
Lektion 1 – Grundlagen von Rechnerarchitekturen
Wir haben den grundlegenden Aufbau eines Prozessors und den Vorgang bei der
Abarbeitung von Instruktionen beleuchtet. Die Speicherhierarchie lehrt uns, dass
Speichermedien sehr unterschiedliche Kennzahlen in Bezug auf Zugriffszeit und
Größe aufweisen und dass wir immer langsameren Medien begegnen, je weiter wir
uns vom Prozessor entfernen. Daher werden verschiedene Buffersysteme, wie
Caches, und Mechanismen, wie Zugriffsoptimierung, eingesetzt, um diesem Problem
Herr zu werden. Schließlich haben wir Bussysteme kennen gelernt, die auf
verschiedenen Ebenen in einem Computer System (Prozessor, Platine, externe
Geräte) die einzelnen Komponenten verbinden.
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Prozessor
 Rechenwerk, Steuerwerk, Datenregister, Spezialregister, Leitungen,
Schnittstellen nach Außen
1. Befehlszähler ermittelt nächsten Befehl aus Arbeitsspeicher
2. übertragen vom Arbeitsspeicher in den Prozessor
(Instruktionsregister)
3. Dekodierung und Interpretation durch Steuerwerks
4. Ausführung der Instruktion
5. eventuell zusätzliche Daten vom Arbeitsspeicher
6. Operation im Rechenwerk
7. Ergebnis in den Arbeitspeicher oder Register für nächste
Operation
Speicher
 Register (schnellster, kleinster Speicher, im Prozessor)
 Cache (Zwischenspeicher, im Prozessor)
 Arbeitsspeicher (RAM, ROM)
 Sekundärspeicher (Festplatten, etc.)
 Archivsspeicher (Bänder, etc.)
Verbindungseinrichtungen
 Busleitungen (Bits können übertragen werden)
Lektion 2 – Klassifikation von Rechnerarchitekturen
Der grundlegende Aufbau von Computer Systemen wurde an Hand der VonNeumann Architektur erläutert. Basierend auf den Operationsprinzipien oder
Hardwarestrukturen können Rechnerarchitekturen eingeteilt werden. Die Flynn’sche
Klassifikation basiert auf letzterem, wobei die sequentielle und parallele Ausführung
von Befehls- und Abarbeitung von Datenströmen unterschieden werden.
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Klassifikation nach Flynn
o Single Instruction Single Data (SISD)
 ein Datenstrom
 sequentielle Befehlsfolge
 PC’s, IBM 360, Großrechner, VAXen
o Single Instuction Multiple Data (SIMD)
 mehrere Datenströme werden gleichzeitig
 von sequentiellen Befehlsfolgen
 Cell Prozessor (Playstation)
o Multiple Instruction Single Data (MISD)
 ein Datenstrom
 parallele Befehlsfolgen
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 Intel, AMD Prozessoren
o Multiple Instruction Multiple Data (MIMD)
 mehrere Datenströme
 parallele Befehlsströme
 Multiprozessorsysteme
Lektion 3 – Einführung und Konzepte von Betriebssystemen
Betriebssysteme sind bildlich gesprochen die Seele eines Rechners und hauchen
ihm sein artifizielles Leben ein. Jede auch noch so kleine Anforderung an den
Rechner, möge sie von einem Programm, einem Gerät (intern, extern) oder dem
Benutzer kommen, wird durch eine Funktion des Betriebssystems abgedeckt. Dabei
gilt aber das Prinzip: Je besser ein Betriebssystem seine Aufgaben erfüllt, umso
weniger wird es vom Benutzer wahrgenommen.
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Was ist ein Betriebssystem
o Verwaltung von Hard- und Softwareressourcen
o Speicherplatzverwaltung
o Prozesssteuerung
o Unterstützung von Ein- und Ausgabegeräten
o Netzwerk- und Dateimanagement
Positionierung
o Softwareschichten
 Hardware (Betriebssystementwickler)
 Systemprogramme: Betriebssystem und IDE’s (Administrator,
Programmierer)
 Anwendungsprogramme (Endbenutzer)
Rollen eines Betriebssystems
o Virtualisierer bzw. Abstraktion
 Abstraktion der Hardware durch vereinfachte und komfortable
Benutzer- und Programmierschnittstelle
o Verwalter
 der physischen Ressourcen des Systems
o Multiplexer
 kontrollierte und geschützte Aufteilung der Ressourcen
 geregeltes Nebeneinander
 z.B. Prozessor, Speicher, Platte, Drucker, ....
Anforderungen an ein Betriebssystem
o Robustheit
 sollte niemals abstürzen
 einziges Programm, dass bewusst und willentlich endlos
ausgeführt wird
 Fehlermeldungen, Hilfestellungen
o Konsistenz
 gleiches Verhalten bei ähnlichen Situationen
 gleicher Aufbau von Optionen, Parametern, etc.
 dadurch intuitive Bedienung
o Proportionalität
 Prozessorzuteilung: einfaches gleich, schwieriges später
 Benutzerschnittstelle: häufe Befehle einfach, seltene versteckt
 Fehlerbehandlung: häufige gut dokumentiert und automatisch
behandelt, seltene manuell und wenig dokumentiert
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Lektion 4 – Arten von Betriebssystemen
Für verschiedene Einsatzbereiche und Rechnerarchitekturen gibt es unterschiedliche
Betriebssystemformen, wobei aber manche existierende Systeme multifunktionell
einsetzbar sind. In vielen Bereichen unseres täglichen Lebens, versteckt in
alltäglichen Geräten, sind Betriebssysteme im Einsatz; oft ohne dass es uns bewusst
wird.
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Großrechner Betriebssysteme (Mainframes)
o Verarbeitung und Speicherung großer Datenmengen
o hohes Ein-/Ausgabeaufkommen
Server Betriebssysteme
o anbieten spezieller Dienste für viele Benutzer
o Web, Drucker, Fileserver, ...
o Unix, Linux, Windows Server
Multiprozessor Betriebssysteme
Arbeitsplatz Betriebssysteme
o am weitest verbreitet
Echtzeit Betriebssysteme
o Zeitfaktor spielt große Rolle
o z.B. Überwachungsanlagen
Embedded Systems Betriebssysteme (Handys)
Chipkarten Betriebssysteme
Lektion 5 – Geschichte der Betriebssysteme
Die Geschichte der Betriebssysteme ist direkt verbunden mit dem technischen
Fortschritt der Rechensysteme auf denen sie zum Einsatz kamen. Erst neuartige
Betriebssystemfunktionen erlaubten es, die technologischen Sprünge in der
Hardware dem Benutzer zur Verfügung zu stellen. Heute stellen moderne
Betriebssysteme eine komfortable und intuitive Schnittstelle zur Verfügung, die es
auch Benutzern ohne spezifische EDV-Fachkenntnisse erlaubt, die Funktionalität
und Leistungsfähigkeit moderner Rechner ausnützen zu können.
Lektion 6 – Betriebsarten- Grundformen
Die unterschiedlichen Betriebsarten sind einerseits aus der Entwicklung der
Betriebssysteme abzuleiten, wobei immer mächtigere Möglichkeiten realisiert
wurden, andererseits definieren diese unterschiedlichen Ausprägungen auch klare
Einsatzprofile der am Markt erhältlichen Systeme. Moderne Systeme von heute sind
aber meist „Generalisten“, die alle bekannten Betriebsarten unterstützen.
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Einprogramm-/Mehrprogrammbetrieb
o Einprogrammbetrieb (DOS)
o Mehrprogrammbetrieb oder Multitasking
 präemptiv (Zuteilung in bestimmter Reihenfolge: Linux,
Windows)
 kooperativ (Zuteilung der Programme selbst überlassen)
Einbenutzer-/Mehrbenutzerbetrieb
Einprozessor-/Mehrprozessorbetrieb
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Lektion 7 – Betriebsarten / Verarbeitungsformen
Basierend auf den unterschiedlichen technischen Betriebsarten von Betriebssystemen ergeben sich unterschiedliche Formen der Verarbeitung von Aufgaben.
Hierbei liefern die Betriebssysteme die Basis für komplexe (und teilweise trickreiche)
Ausführungsprofile von Anwendungen, die dem Benutzer völlig neue konzeptionelle
Abarbeitungsformen mit einem hohen Mehrwert zur Verfügung stellen, die es
erlauben, ganz spezifische Aufgaben zu bewältigen.
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Stapelverarbeitung
o batch processing
o Ablauf wird vorher definiert und danach durchgeführt
Interaktive Verarbeitung
o interactive processing
o während der Abarbeitung Informationsaustausch zwischen Benutzer
und Programm
o Dialogverarbeitung
 Teilnehmerbetrieb (verschiedene Aufgaben)
 Teilhaberbetrieb (gleiche Aufgaben)
 client-server Architektur
 Prozessverarbeitung / Echtzeitbetrieb
 Steuerung
 Regelung
Verteilte Systeme
o Lastverbund (Lastverteilung)
o Datenverbund (Datenverteilung)
o Kooperationsverbund
o Überlebensverbund (Ausfallsicherheit)
o Leistungsverbund (mehrere schwächere Computer)
Lektion 8 – Betriebssysteme im Überblick – die Klassiker und die UNIX Linie
Die Entwicklung der Betriebssysteme war mit den technischen Entwicklungen der
Hardware eng verbunden und führte zu immer leistungsfähigeren Systemen. Leider
war die Standardisierung dieser Systeme in der Vergangenheit immer problematisch
und oft auch nicht gewünscht, da jeder Hardwareerzeuger auf seinen Maschinen nur
seine proprietären Systeme anbot. Erst durch die Entwicklung von UNIX und später
durch Linux gelang es, einen erfolgreichen Weg in Richtung Standardisierung und
Portabilität von Programmen zwischen Systemen zu beschreiten.
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Atlas Operating System
o Interrupt Konzept, Multiprogramming, Spooling, Virtuelle
Speichertechnik (RAM ausgelagert auf HD)
MULTICS
o Mehrprogrammbetrieb, Mehrbenutzerbetrieb, Mehrprozessorbetrieb,
hierarchische Schutzmechanismen und Dateisystem
OS/360
o IBM Großrechner Betriebssystem
VM (Virtual Machine Facility)
o IBM Großrechner Betriebssystem
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o multiplexen der gesamten Hardware
UNIX
o Serverbetriebssystem mit größter Verbreitung
o Mehrprogramm-, Mehrbenutzer-, Mehrprozessorbetrieb,
Stapelverarbeitung/interaktive Bearbeitung, Rechnerverbundsysteme
LINUX
o freies UNIX Betriebssystem
o free software (GPL Lizenz)
o mehrere Distributionen
Lektion 9 – Betriebssysteme im Überblick – Microsoft
Die Firma Microsoft hat in den letzten zwei Jahrzehnten die Entwicklung der
Betriebssysteme stark beeinflusst und kann als Marktbeherrscher vor allem im
Bereich der Arbeitsplatzrechner gesehen werden. Wenn auch immer die Systeme
von Microsoft unter Kritik standen, muss man aber anerkennen, dass sie einen
starken Standardisierungseffekt bewirkt haben, der von großem Vorteil für die IT
Wirtschaft ist. Nachteilig ist dagegen eine große Marktdominanz, die dazu führt, dass
es innovative neue Entwicklungen schwer haben sich durchzusetzen, wenn sie nicht
von Microsoft unterstützt werden.
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MS-DOS
Windows
Lektion 10 – Grundkomponenten eines Betriebssystems – Prozesse und
Speicher
Die Veraltung der Prozesse und des Hauptspeichers ist die zentrale Aufgabe jedes
Betriebssystems. Ziel ist es hierbei, die zur Verfügung stehenden Ressourcen, wie
Prozessor und Speicherplatz, so effizient wie möglich zu nutzen. Es ist aber zu
beachten, dass diese Verwaltungsaufgaben auch wieder Ressourcen benötigen, was
im Extremfall zu der Situation des Trashing führen kann, wobei ein System
dermaßen mit Verwaltungsaufgaben überlastet ist, dass keine Benutzeraufgaben
mehr erfüllt werden können.
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Prozessverwaltung
o Task (ablaufendes Programm im Arbeitsspeicher)
 Prozesse (Programm und Daten bilden eine Einheit)
 Threads (Programm und Daten bilden KEINE Einheit)
o Scheduler (Prozessverwaltung)
o Deadlock (Beispiel Kreisverkehr)
Speicherverwaltung
o Erweiterung des schnellen, physischen Arbeitspeicher durch
langsamen Plattenspeicher
 Swapping (gesamtes Programm in den Hauptspeicher)
 Paging (Teile, Seiten des Programms in den Hauptspeicher)
 Trashing (permanentes Nachladen, da zuwenig Platz)
Lektion 11 – Weitere Betriebssystemkomponenten – Dateien, Benutzer und
Periphere Geräte
Dateisysteme stellen die zentrale Komponente von vielen Betriebssystemen dar (vor
allem bei UNIX). Sie gewährleisten Persistenz, Sicherheit und Datenabstraktion. Die
Benutzerverwaltung ist die Basis für die ordnungsgemäßen Zugriff auf das System
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und seine Ressourcen. Das Gerätemanagement wiederum garantiert die
ordnungsgemäße Verwaltung von externer Peripherie und den (teilweise
automatisierten) Einsatz von Standardkomponenten.
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Dateiverwaltung
Benutzerverwaltung
Geräteverwaltung
Lektion 12 – Benutzermanagement
Die klassische Benutzerschnittstelle in UNIX ist textbasiert. Grafische Oberflächen
stehen zwar auch zur Verfügung, bilden aber meist nur den „schönen“ Rahmen für
das Terminal Fenster.
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Benutzerverwaltung
Benutzerschnittstellen
Lektion 13 – Kommandointerpreter
Die Eingabe der Befehle an das System geschieht über den Kommandointerpreter
(die Shell). Unter UNIX stehen verschiedene Shells zur Verfügung, die wichtigste vor
allem bei Linux Systemen ist die Bash. Unter UNIX werden dem Benutzer oft
mehrere Tausend Befehle angeboten. Ein Befehl besteht aus seinem Namen und
etwaigen Optionen und Parametern. Wir haben die ersten UNIX Befehle
kennengelernt und uns mit der Manual-Funktion vertraut gemacht.
Lektion 14 – Dateimanagement
Die Partitionen zerlegen die Festplatten in unabhängige Einheiten, die durch
Dateisysteme verwaltet werden. Diese Dateisysteme legen eine logische Struktur
über die physischen Plattenblöcke. Ein normales UNIX System besteht aus
Tausenden von Dateien, die in Verzeichnissen organisiert sind. Jede Datei wird
eindeutig über ihren Namen identifiziert, wobei man mit absoluten und relativen
Namen arbeiten kann.
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Plattenpartitionen und Dateisysteme
Organisation von Dateien und Verzeichnissen
Dateinamen (absolut, relativ)
Lektion 15 – Arbeiten mit dem System
Wir haben das Arbeiten mit Dateien und Prozessen kennengelernt. Da die übliche
Benutzerschnittstelle in UNIX textbasiert ist, gibt es eine Reihe sehr mächtiger
Befehle, die das Arbeiten mit dem System sehr prägnant unterstützen. Das Prinzip ist
dabei die Anwendung von simplen Konzepten, um aus der Kombination mächtige
Strukturen zu bauen.
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Arbeiten mit Dateien
Datei Befehle
Arbeiten mit Prozessen (ps, tasklist)
Booten
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