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Wissenswertes über Betriebssysteme

Anbei einiges Wissenswertes über Betriebssysteme. Betriebssysteme stellen die Grundlage eines produktiven Systems dar, ohne diese wäre es nicht möglich die Komplexität eines Computersystems zu beherrschen. Einige Fragen nachfolgend, die zu großen Teilen aus einer Aufgabensammlung von Studenten der Hochschule Karlsruhe entnommen wurden.

Was sind die Hauptaufgaben eines Betriebssystems?

• Zusammengefasst: Abstraktion (von Hardware), Resourcenzuteilung/Koordination (von u. zwischen Rechenaufträgen)

• Ausführlich:
• Verwaltung der Betriebsmittel (Hard- und Software) eines Computersystems (Ein-/Ausgabe, Speicherverwaltung, Resourcenzuteilung zu Prozessen, ...)
• Abarbeitung und Durchführung von Rechenaufträgen (Organisation und Koordination des Betriebsablaufs, Steuerung der Ausführung von Programmen)
• Langfristige Datenhaltung auf geeigneten Datenträgern
• Abbildung der Benutzer auf die Maschinenwelt ("Abstrakter Rechner")

Was sind die Nebenaufgaben eines Betriebssystems?

• Zusammengefasst: Statistiken, Abrechnung
• Ausführlich:
• Führen von Statistiken aller Art (Speicherplatzverbrauch, Quota, Rechenzeiten auf Prozessor, ...)
• Abrechnung von Rechenkosten bei gemeinsamer Nutzung (Mehrbenutzersystem) einer Rechenanlage

Was sind die Randbedingungen unter denen die Aufgaben eines Betriebssystems erfüllt werden müssen?

• Optimale Ausnutzung der vorhanden Betriebsmittel (Hardware)
• Minimierung des Verwaltungsaufwands
• Robustheit, Fehlertoleranz
• Schutz von Daten und Programmen
• Aufälle von Datenträgern vermeiden

Welche typischen Hardwareklassen gibt es?

• Peripherie (externe I/O-Geräte): z.B. Lochkarten, Drucker, Tastatur, Maus, Display
• I/O-Steuerung: z.B. zentraler oder separater Prozessor
• Hilfsspeicher: z.B. Band (selten, veraltet), Disketten, Platten
• Hauptspeicher: z.B. kleine direkt adressierbare Speicher, große physikalische und virtuelle Speicher (meist RAM)
• Prozessor: z.B. Uniprozessir (1-Kern), Multiprozessor (n-Kern)
• System: z.B. Zentralrechner mit gemeinsam benutztem Speicher, Virtuelles System

Welche Ursachen können einen Interrupt auslösen?

• Stromausfall
• Paritätsfehler
• Tastendruck (z.B. Reset)
• Page-Fault
• Timer (z.B. Watchdog)
• Zeitscheibeninterrupt
• E/A-Signale (von Peripheriegeräten)
• Division durch die Zahl Null

Was ist eine ISR?

siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Interrupt_Service_Routine

Eine Interrupt Service Routine (auch Unterbrechungsroutine genannt) ist ein kleines Programm, dass von der CPU ausgeführt wird, wenn sie durch einen Interrupt-Request (Unterbrechungsanforderung) über einen Interrupt-Signaleingang ein Signal über einen eingetroffenen Interrupt erhält. Mehrere Interrupt-Quellen werden extern der CPU über einen Interrupt-Controller-Baustein (Programmable Interrupt Controller, heute meist in der CPU integriert) zusammengeführt. Dieses Signal zwingt (triggert) die CPU dazu, den aktuellen Programmablauf zu unterbrechen und einen Interrupt auszuführen. Interrupts sind externe und damit asynchrone Unterbrechnungen.

Wie ist der grundsätzliche Ablauf einer ISR?

CPU besitzt eine Anzahl von n verschiedenen (je nach CPU-Architektur) Interruptvektoren (einer pro Interruptquelle <=> Interrupt-Request [IRQ]). Diese Interruptvektoren geben an, an welche Adresse gesprungen werden muss, wenn der zugehörige IRQ eintritt. An dieser Adresse stehen dann weitere Befehle, wie (mit welchen Befehlen) der Interrupt zu behandeln ist. Diese werden von der CPU abgeabeitet.
Ein Interrupt wird nur dann behandelt, wenn der zum IRQ passende Vektor nicht maskiert ist und gerade kein anderer Interrupt mit höherer Priorität abgearbeitet wird. Ist der Interrupt also nicht maskiert, keiner mit höher Priorität steht an oder wird bearbeitet, so werden vor dem Sprung in die programmierte Routine alle Arbeitsregister (Register der CPU) und das PSW (Processor Status Word) im Stack gespeichert. Das wird deshalb gemacht, damit das unterbrochene Programm dort weiterarbeiten kann, wo es unterbrochen wurde. [Zusätzlich wird evtl. eine Interrupt-Sperre gesetzt (atomarität)]. Anschließend wird zur im Interruptvektor hinterlegten Adresse gesprungen und der programmierte Code ausgeführt. Danach werden das PSW und die Arbeitsregister wiederhergestellt [und die evtl. Interruptsperre wird gelöscht].

Was sind die Charakteristiken einer ISR?

• keine Zyklen
• kurze Abläufe
• keine Dateizugriffe

Interrupts unterbrechen den Programmablauf. Sind Interrupts dann selbst auch unterbrechbar?

Interrupts sind durch Interrupts höherer Priorität unterbrechbar. Der unterbrochene Interrupt wird (wie ein gewöhnlicher Prozess) auf den Stack gelegt, bis er evtl. weiterverarbeitet werden kann.

Was ist der Unterschied zwischen Traps und Interrupts?

• Ein Interrupt ist asynchron, nicht reproduzierbar und nicht vorhersagbar.
• Ein Trap ist synchron, reproduzierbar und vorhersagbar (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Ausnahmebehandlung)

Welche Betriebsarten eines Betriebssystems gibt es?

• Einzelauftragsverarbeitung
• Stapelverarbeitung (Batch)
• Dialogverarbeitung (Mensch-Maschine)
• Echtzeitverarbeitung ("Rechtzeitigkeit", max. Verzögerung ist definiert und wird nicht überschritten, also "schnell genug")

Was sind Mermale der Dialogverarbeitung?

Ein Rechenauftrag besteht hier aus einer Sitzung, in deren Verlauf der Benutzer die auszuführenden Programme in einer bestimmten Kommandosprache explizit aufruft. Die Programme werden dabei immer sofort gestartet. Das Betriebssystem muss dafür sorgen, dass die Antwortzeit dafür möglichst niedrig ist, da es sich um eine "interaktive" Verarbeitung handelt und meist ein Benutzer mit dem System arbeiet (Wartezeit).

Was zeichnet die Einzelauftragsbearbeitung negativ aus?

Geringe Auslastung des Prozessors mit der eigentlichen Problemlösung. Rechner ist während der gesamten Verarbeitungszeit exklusiv durch einen Benutzer belegt.

Was bedeutet Spooling?

Simultaneous Peripherals Operation Online

Ankommende, zu verarbeitende Aufträge werden in einem Puffer im Speicher [oder auf einem externen Datenträger (z.B. Festplatte, Band, ...)] zwischengespeichert bis das entsprechende Ausgabegerät bereit ist. Durch diese Trennung der Produktion und Weiterverarbeitung (bzw. Ausgabe) von Daten, ist es möglich, die Auslastung der Teilsysteme zu verbessern. So können einerseits die produzierenden Prozesse ohne Verzögerungen weiterarbeiten (solange Speicher im Puffer vorhanden ist). Wenn die Verarbeitung langsamer erfolgt. Andererseits kann das verarbeitende System zurückliegende Aufträge abarbeiten, während das produzierende System zeitaufwändige Berechnungen durchführt.

Beispiel: Eine Druckerwarteschlange, in der Druckaufträge gesammelt und nacheinander abgearbeitet werden. Auch Mailserver sammeln zu versendende Mails üblicherweise in einem Spool-Verzeichnis, von dem aus sie dann verschickt werden.

Was bedeutet Batch-Verarbeitung?

Batchverarbeitung beschreibt die sequentielle, nicht interaktive Bearbeitung von Aufgaben. Die Batchverarbeitung ist nicht dialoggeführt, was soviel bedeutet, wie dass dem Betriebssystem schon vor der Ausführung alle Daten und Parameter zu Verfügung stehen müssen. Dies wird eingesetzt um ständig wiederholende Aufgaben sowie große Datenmengen zu bewältigen. Vorteil: Da Aufträge und Daten bereits vor der Ausführung zusammengefasst wurden, wird somit die CPU-Wartezeit reduziert, da es keine unnötigen Dialoge oder Datenträgerwechsel gibt.

Beispiel: Das Skalieren von mehreren Bildern auf eine bestimmte Pixelgröße.

Was ist der Vorteil von Multiprogramming?

Multiprogramming bedeutet, dass mehrere Programme ablaufbereit im Speicher stehen. Der Vorteil dabei ist der, dass Rechenzeiten, in denen ein Programm auf langsame I/O-Geräte wartet, durch andere Programme ausgenutzt werden können und somit eine höhere Prozessorauslastung erreichen.

Wie wird die Rechenzeit bei der Dialogverarbeitung aufgeteilt?

Die Verteilung der Rechenzeit erfolgt durch das Zeitscheibenverfahren (Time-Sharing). Jeder einzelne Nutzer, bzw. jedes Programm erhält eine gewisse Rechenzeit zugewiesen. Die Ein-/Ausgabe erfolgt über Dialogstationen. Somit ist es möglich, mehrere Benutzer an einem Computer quasi gleichzeitig arbeiten zu lassen, in dem sie sich die Rechenzeit des einzigen vorhandenen Prozessors teilen.

Was unterscheidet die Realzeitverarbeitung von der Dialogverarbeitung?

Die Programmausführung ist bei der Realzeitverarbeitung ereignisgesteuert. Die Programme besitzen Prioritäten. Durch diese sind sie miteinander gekoppelt. Im Gegensatz zur Unabhängigkeit der Programme bei Dialogverarbeitung. Weiterhin ermöglicht die Realzeitverarbeitung das Einhalten von vorgeschriebenen Reaktionszeiten, trotz inhomogener Geräte.

#include <vector>
#include <iterator>
#include <iostream>

using namespace std

// einfache Ausgabe auf der Konsole
template <class iterType>
void print(iterType first, iterType last) {
  while(first != last) {
    cout << *first++ << endl; // zuerst dereferenzieren, dann ausgeben und anschließend iterieren
  }
}

// main.cpp:
int main() {
  vector<int> vec;

  vec.push_back(23);
  vec.push_back(42);

  print(vec.begin(), vec.end());

  return 0;
}

template<class type> void func(type container) {
  typename type::iterator iter = container.begin();
  // typename ist hier erforderlich, da der qualifizierende
  // Bezeichner (type) ein Templateparameter ist.
}

template<class type> void func(vector<type> container) {
  typename vector<type>::iterator iter = container.begin();
  // typename ist hier erforderlich, da der qualifizierende Bezeichner
  // (vector<...>) von einem Templateparameter (type) abhängt.
}

#include <iterator>
#include <iostream>

using namespace std;

template<class InIterator, class OutIterator>
void copy(InIterator first, InIterator last, OutIterator result) {
  while (first != last) {
    *result++ = *first++;
  }
}

// main.cpp:
int main() {
  int source[] = {1,2,3,4,5,6};
  const int length = sizeof(source) / sizeof(int);
  int dest[length];

  copy(source, source+length, dest);

  return 0;
}

void copy(int* first, int* last, int* result) {
  while (first != last) {
    *result++ = *first++;
  }
}

// *** Kopieren der Elemente eines Containers in einen anderen (mit Überschreiben). result muss Platz für alle Elemente bieten.
template <class InIter, class OutIter>
OutIter copy(InIter first, InIter last, OutIter result);

// Bsp.:
vector<int> vec;
list<int> list;
vec.push_back(23);
copy(vec.begin(), vec.end(), list.begin());

// *** Überschreiben der Elemente eines Zielcontainers mit einem festen Wert
template <class ForwardIter, class T>
void fill(ForwardIter first, ForwardIter last, const T& value);

// Bsp.:
vector<int> vec;
vec.push_back(23);
vec.push_back(42);
fill(vec.begin(), vec.end(), 1337);

// *** Sortieren von Containerdaten mit Angabe der Vergleichsfunktion
template <class RandomAccessIter>
void sort(RandomAccessIter first, RandomAccessIter last);

// Bsp.:
vector<int> vec;
vec.push_back(23);
vec.push_back(42);
sort(vec.begin(), vec.end());

// *** Durchsucht die Containerdaten und liefert einen Iterator auf das Objekt des ersten Treffers zurück
template <class InputIter, class EqualutyCmp>
InputIter find(InputIter first, InputIter last, const EqualityCmp& value);

// Bsp.:
vector<int> vec;
vec.push_back(23);
vec.push_back(42);
typename vector<int>::iterator result = find(vec.begin(), vec.end(), 23);