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Mühlbacher 1 BS: Betriebsarten
Betriebssysteme
Teil C: Betriebsarten
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Mühlbacher 2 BS: Betriebsarten
Zielgruppe
Ein Betriebssystem (bzw. das von ihm verwaltete Computersystem) kann konzipiert sein dezidiert für nur einen einzigen Benutzer
(vgl.: Workstation, Arbeitsplatzrechner) » Einbenutzerbetrieb (single user mode),
Das heißt nicht unbedingt, dass auch tatsächlich jemand davor sitzt; zB bei Meß- oder Steuerungsrechnern!
für mehrere Benutzer » Mehrbenutzerbetrieb (multi user mode)
» Server: File-, Mail-, Drucker-, …-Server: Dienste für mehrere Benutzer
Remote Desktop Services-Server: Direkt mehrere Benutzer
.............
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Mühlbacher 3 BS: Betriebsarten
Betriebsarten
Betriebsart:
die Art und Weise, wie ein
Betriebssystem Aufgaben übernehmen
und durchführen kann
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Mühlbacher 4 BS: Betriebsarten
Sequentielle u. parallele
Prozesse
Das System kann ausgelegt sein, um
mehrere als Prozesse ablaufende
Aufgaben (Tasks) abzuarbeiten:
» einfach der Reihe nach (FIFO)
» oder nach Prioritäten, der Reihe nach
» oder parallel bzw. ineinander verzahnt
Parallelität wird ein gesondertes Thema sein
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Mühlbacher 5 BS: Betriebsarten
Betriebsarten
Stapelverarbeitung (Batchprocessing): Heute geringe Bedeutung
Als Konzept weiterhin wichtig und praktisch eingesetzt!
Mehrprogrammbetrieb (Multitasking, Multiprogramming): Standard für „normale“ Betriebssysteme Ein Benutzer, mehrere Programme
Teilnehmerbetrieb (Timesharing): Remote Desktop Services etc.
Mehrere Benutzer, jeder davon ein/mehrere Programme
Echtzeitverarbeitung (Real Time): Standard für Spezialaufgaben, zB Steuerungsrechner
Cloud-Computing?
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Mühlbacher 6 BS: Betriebsarten
Betriebsarten
In der Realität beherrschen moderne
Betriebssysteme meist
mehrere Betriebsarten gleichzeitig,
sind also in diesem Sinne hybrid.
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Mühlbacher 7 BS: Betriebsarten
Stapelverarbeitung (Batchprocessing)
JCL: Job Control Language
» Zunächst auf Lochkarten,
» dann auf Magnetbänder oder Disks
Batch-Files (*.bat) für Kommandos » z.B. DOS Betriebssystem (DOS-Box)
– Kommandos interpretiert durch command.com
» Shell scripts unter Linux (div. Varianten: bash, ksh, …)
Konzept: Abarbeitung von großen Aufgaben in Teilschritten oder vielen gleichartigen Aufgaben
» Beispiele: Überweisungen in Banken, Parallelisierung durch Aufteilung in Kleinaufgaben
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Mühlbacher 8 BS: Betriebsarten
Lochkarte
Hermann Hollerith
Lockarten wurden gestapelt
für JCL
für die Daten
» Quelltext (FORTRAN, COBOL, Assembler)
» „Eigentliche“ Input-Daten
Hermann
Hollerith
1860-1929,
USA
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Mühlbacher 9 BS: Betriebsarten
Batchprocessing
JCL Beispiel (Schablone)
//COMPILE JOB job card information //* //* EXAMPLE JCL FOR COMPILATION. //* REPLACE GENERIC NAMES AS APPROPRIATE. //*--------------------------------------------------------
----
//* SYNTAX ANALYSIS PHASE //STEP1 EXEC PGM=LC1370,REGION=1024K, // PARM='-R P: -M !X:' //STEPLIB DD DISP=SHR,DSN=compiler.library // DD DISP=SHR,DSN=runtime.library //SYSLIB DD DISP=SHR,DSN=standard.macro.library //H DD DISP=SHR,DSN=your.macro.library //SYSPRINT DD SYSOUT=class //SYSTERM DD SYSOUT=class //SYSUT1 DD UNIT=SYSDA,SPACE=(CYL,(1,1)), // DISP=(NEW,PASS), // DSN=&&QUADS //SYSIN DD DISP=SHR,DSN=your.source.library(member) //*
//* CODE GENERATION PHASE //STEP2 EXEC PGM=LC2370,REGION=1024K,COND=(4,LT) //STEPLIB DD DISP=SHR,DSN=compiler.library // DD DISP=SHR,DSN=runtime.library //SYSPRINT DD SYSOUT=class //SYSTERM DD SYSOUT=class //SYSUT1 DD DISP=(OLD,PASS),DSN=&&QUADS //SYSLIN DD DISP=OLD,DSN=your.object.library(member) //
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Mühlbacher 10 BS: Betriebsarten
Batchprocessing
JCL Beispiel (Schablone)
//COMPILE JOB job card information //* //* EXAMPLE JCL FOR COMPILATION. //* REPLACE GENERIC NAMES AS APPROPRIATE. //*--------------------------------------------------------
----
//* SYNTAX ANALYSIS PHASE //STEP1 EXEC PGM=LC1370,REGION=1024K, Ausführen von Programm „LC1370“
// PARM='-R P: -M !X:' Parameter für das Programm, kann von diesem ausgelesen werden
//STEPLIB DD DISP=SHR,DSN=compiler.library Bibliothek, wo das Programm liegt (Dateiname: „compiler.library“)
// DD DISP=SHR,DSN=runtime.library Zweite Bibliothek
//SYSLIB DD DISP=SHR,DSN=standard.macro.library Weitere Bibliothek
//H DD DISP=SHR,DSN=your.macro.library Programm liest „your.macro.library“ ein unter Namen „H“
//SYSPRINT DD SYSOUT=class // Standardausgabe Konsole //SYSTERM DD SYSOUT=class // Standardfehlerausgabe Konsole
//SYSUT1 DD UNIT=SYSDA,SPACE=(CYL,(1,1)), // DISP=(NEW,PASS), // DSN=&&QUADS Ausgabedatei auf virt. Speicherplatz „SYSDA“ mit Größe 1 Zylinder wird neu angelegt; Dateiname aus Variable „QUADS“
//SYSIN DD DISP=SHR,DSN=your.source.library(member) Quellcode des Programms wird angegeben
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Mühlbacher 11 BS: Betriebsarten
Batchprocessing
JCL Beispiel (Schablone)
//STEP2 EXEC PGM=LC2370,REGION=1024K,COND=(4,LT) Ausführen von Programm „LC2370“
//STEPLIB DD DISP=SHR,DSN=compiler.library // DD DISP=SHR,DSN=runtime.library Bibliotheken
//SYSPRINT DD SYSOUT=class //SYSTERM DD SYSOUT=class Standard(Fehler)ausgabe
//SYSUT1 DD DISP=(OLD,PASS),DSN=&&QUADS //SYSLIN DD DISP=OLD,DSN=your.object.library(member) Fertig compilierte Datei wird auf die Objekt-Bibliothek „member“ ausgegeben, wobei nur dieser Job die Datei verändern
darf (andere Jobs haben keinen Zugriff)
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Mühlbacher 12 BS: Betriebsarten
Batchprocessing
batch-file in DOS
@ECHO OFF :START COPY file.txt file2.txt IF errorlevel 1 GOTO MKFILE GOTO :END :MKFILE ECHO file text > file.txt GOTO START :END ECHO beendet
@echo on PAUSE
Groß-/Kleinschreibung,
Einrückung Egal!
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Mühlbacher 13 BS: Betriebsarten
Reset
Initialisierung
Kommando Interpreter
Einstiegspunkt
(Start-Adresse S)
interpretiert Kommando
z.B.: myprogram.exe
veranlasst Ausführung
Letzte Instruktion:
Sprung zu S (PC:= S)
„Monitor“ Ablauf bei einfachem BS
Grundkonzept
einer Shell!
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Mühlbacher 14 BS: Betriebsarten
Spooling
Konzept
Überlappende I/O Operationen (SPOOL)
Simultaneous Peripheral Operation OnLine
» „Spooler“ ist ein Betriebssystemprozess
zusammen mit ein oder mehreren Puffern
» Verwaltet I/O für ein oder mehrere Geräte
» Kommuniziert mit der CPU über Interrupts
Spooling-Konzept:
Erstmals 1961 auf der in Manchester (UK) entwickelten
„Atlas-Maschine“ eingesetzt.
Praktisch: Drucker-Spooler
Ein Drucker, gleichzeitiges Drucken möglich,
Zwischenspeicherung bis zur tatsächlichen Verarbeitung,
Organisation der Reihenfolge etc.
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Mühlbacher 15 BS: Betriebsarten
Mehrprogrammbetrieb
Multitasking, Multiprogramming Wenn ein Prozess aus irgendeinem Grund warten
muss, schaltet das BS zu einem anderen Prozess (task switch)
» D.h.: die CPU wird einem anderen Prozess zugeteilt
Insbesondere beim Warten auf I/O Prozesse
Multiprogramming-Grad
Ursprünglich: Prozesse werden nach Prioritäten von der CPU bedient
Jetzt: Weitere und feinere Methoden Generalthema dazu: CPU- Scheduling
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Mühlbacher 16 BS: Betriebsarten
unbenutzt
Task 3
Task 2
Task 1
BS
Multitasking
Massenspeicher Haupt-
speicher
Job-Queue
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Mühlbacher 17 BS: Betriebsarten
Teilnehmerbetrieb
Timesharing
I/O kann interaktiv sein Z.B.: Ist langsam, läuft nur mit Geschwindigkeit
entsprechend der Eingabe durch den Anwender
Daher sollte die CPU zwischenzeitlich zu einem anderen Benutzer-Prozess wechseln
TS erlaubt Benutzern, einen Computer gemeinsam zu benutzen (share) Timesharing bei Terminalservern
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Mühlbacher 18 BS: Betriebsarten
Teilnehmerbetrieb
Timesharing
Jedem anstehenden Prozess wird (der Reihe nach zyklisch) eine gewisse Zeit die CPU zugeteilt.
Nach Ablauf dieser Zeit
Rechenzeitperiode (time slice, time-quantum)
gibt der Prozess die CPU wieder ab, der nächste Prozess kommt zum Zug.
Dies wird zyklisch wiederholt.
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Mühlbacher 19 BS: Betriebsarten
CPU-
Time
Job 1
Job 2
Job 3
Job 4
Job 5
Job 1
Job 2
Job 3
Job 4
Job 5
Job 1
Job 2
Job 3
Job 4
Job 5
Timesharing
Beachte: Ein „Job“ löst im System einen Prozess aus
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Mühlbacher 20 BS: Betriebsarten
Timesharing
<>
Round Robin
Realisierung? » Spezielles CPU Scheduling
» Im Beispiel:
Round Robin
» Wird später noch besprochen
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Mühlbacher 21 BS: Betriebsarten
Probleme bei
Timesharing/ Multiprogramming
Speicherverwaltung: Wenn Speicher für die Aufnahme aller n > 1
„gleichzeitig“ laufenden Prozesse zu klein ist ?
Speicherschutz Prozess x darf nicht (ungewollt) in den/vom Bereich
von Prozess y schreiben / lesen
Ressourcen-Zuweisung: Welcher Prozess erhält wann welches Gerät
(allgemein: Ressource) ? » Ressourcensteuerung
» CPU-Scheduling
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Mühlbacher 22 BS: Betriebsarten
Echtzeitsysteme
Benutzerauftrag muss innerhalb einer
vordefinierten Zeitspanne ausgeführt
sein, sofern dies möglich ist
bzw.
System muss innerhalb einer
vordefinierten Zeitspanne reagieren
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Mühlbacher 23 BS: Betriebsarten
“Harte” Echtzeitsysteme
Hard Real-Time Systems
Garantiert, dass kritische Aufgaben rechtzeitig abgeschlossen werden
Massive Nutzung von ROM als nicht-flüchtiger Speicher anstatt Massenspeicher (Festplatten,..)
Konflikt mit den Zielen eines Timesharing- Systems
Im Allgemeinen anders konzipiert als „normale Betriebssysteme“
Oft enorm überdimensioniert oder sehr spezielle Hardware
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Mühlbacher 24 BS: Betriebsarten
“Hard”
Real-Time Systems
Typische Anwendungen
Intensivstation (Medizin)
Prozesskontrolle
Flugzeuge
Roboter
Jegliche industrielle Mess- und
Regelungsaufgaben
…
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Mühlbacher 25 BS: Betriebsarten
“Sanfte” Echtzeitsysteme
Soft Real-Time Systems
Ein kritischer Prozess erhält Priorität vor anderen Prozessen
Hält diese Priorität, bis er fertig ist
Konzept in den meisten "neuen" Betriebssystemen enthalten
UNIX
Linux
ab Windows NT 3.5
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Mühlbacher 26 BS: Betriebsarten
Hard-versus Soft-
Realtime Systems
Unterschied in „Echtzeitanforderungen“:
Bei Hard Real Time Systemen ist das
Überschreiten einer Zeitschranke (deadline) ein
schwerwiegender Systemfehler
» Antwortzeit wird garantiert
Bei Soft Real Time Systemen ist der Mittelwert der
Antwortzeiten ausschlaggebend.
» Wird ausnahmsweise die Reaktionszeit überschritten,
so kann dies – abhängig von der konkreten Anwendung
hingenommen werden
oder
das Ergebnis wird schlicht und einfach verworfen.
» Antwortzeit wird meist/durchschnittlich eingehalten
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Mühlbacher 27 BS: Betriebsarten
Die bislang erwähnten Betriebsarten dienen
zur Charakterisierung und Klassifizierung
früherer Betriebssysteme
Moderne Systeme vereinigen diese
Betriebsarten und verwenden sie
miteinander kombiniert
Ein Server für ein LAN könnte … » vorbereitete Aufgaben im Batch-Mode verarbeiten,
» mit dem Administrator in einer Time-Sharing ähnlichen
Art und Weise interagieren, oder
» auf Notfälle reagieren wie ein Real Time System
Betriebsarten
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Mühlbacher 28 BS: Betriebsarten
Grid-Computing
Ausgangssituation: Rechnerverbund
„Computer Cluster“:
Menge von Computern, die bzw. deren
Ressourcen über ein Computernetzwerk
miteinander verbunden sind
Besondere Ziele:
» Durch Zusammenschalten einen besonders
leistungsfähigen Computer zu erhalten
– Details: Nächste Folie
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Mühlbacher 29 BS: Betriebsarten
Betriebsmittel, die nicht lokal verfügbar sind
Erhöhung der Computerleistung
Spezialrechner
Parallele Verarbeitung von Teilaufgaben
Failover-Funktion
(Erhöhung der Verfügbarkeit)
Lastverteilung (Load Balancing)
Wenn mehrere „Knoten“ im Verbund
für dieselben/ähnliche Aufgaben konzipiert sind
Grid-Computing
Ziele
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Mühlbacher 30 BS: Betriebsarten
Ähnlich zu Grid-Computing
Minimales Betriebssystem lokal Die meisten Ressourcen sind jedoch verteilt und transparent
für den Benutzer
Trivialform: Rechner startet zu Remote-
Desktop/Webbrowser und Anwendung liegt irgendwo
im Internet
Irgendwo: Fixe „Adresse“ die Loadbalancing betreibt und zu
passender physischer Ressource weiterleitet
Oft aber nur: Rechnernetz/Verteiltes System
Beliebig (Kosten!) viele virt. Server können gemietet werden
Ganz normales Betriebssystem + spezielle Anwendung
Cloud-Betriebssystem
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Mühlbacher 31 BS: Betriebsarten
Middleware
Schicht
Benutzerschnittstellen (GUI)
DB-Develop
Hardware Abstraktion /
Virtualisierung / Treiber
Hardware
Betriebssystem-Kern
Betriebssystem
Benutzer1
Buchhaltung
Benutzerx
WEB-
Browser
Benutzery Benutzern-1 Benutzern
Textver-
arbeitung
Compiler
Datenbanksystem
…
…
…
…
…
Middleware
Hardware Abstraktion /
Virtualisierung / Treiber
Hardware
Betriebssystem-Kern
Betriebssystem
…