Betriebssystembau und Betriebssystembau für Mehrkernsysteme

Inhalt der Vorlesung

Ziel der Vorlesung ist die Vermittlung von konzeptionellen Grundlagen und wichtigen Techniken, die für den Bau eines Betriebssystems erforderlich sind. In den vorlesungsbegleitenden Übungen werden diese Kenntnisse praktisch angewendet, indem ein kleines PC-Betriebssystem in kleinen Arbeitsgruppen von Grund auf neu entwickelt wird. Um dies zu bewerkstelligen, sind fundierte Kenntnisse über Aufbau und Funktionsweise der PC-Hardware erforderlich, die ebenfalls in der Lehrveranstaltung vermittelt werden. Dabei werden gleichzeitig Grundlagen aus dem Betriebssystembereich wie Unterbrechungen, Synchronisation und Ablaufplanung, die aus früheren Veranstaltungen (z.B. Grundlagen der Betriebssysteme) weitgehend bekannt sein sollten, wiederholt und vertieft.

Die Vorlesung umfasst folgende Themen:

• Grundlagen der Betriebssystementwicklung
• Unterbrechungen (Hardware, Software, Synchronisation)
• Koroutinen und Programmfäden
• Scheduling
• IA-32: Die 32-Bit-Intel-Architektur
• Betriebssystem-Architekturen
• Fadensynchronisation
• Gerätetreiber

Wir bieten die Möglichkeit, das Betriebssystem in C++ oder in Rust zu implementieren.

Organisation und Inhalt der Übungen

Ziel der Übungen ist es, schrittweise ein kleines Betriebssystem für den PC zu entwickeln. Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben werden Gruppen von je 2 Studierenden gebildet. Zunächst gibt es zwei Varianten der Übungen:

• OOStuBS/RStuBS (Betriebsystembau) ist die klassische Uniprozessorvariante: 5 Leistungspunkte (2V + 2Ü)
• MPStuBS/RStuBS (Betriebssystembau für Mehrkernsysteme) die Variante für moderne Mehrkernrechner: 8 Leistungspunkte (2V + 4Ü)

In den Tafelübungen werden Fragen zum Stoff der Vorlesung geklärt und die Übungsaufgaben vorgestellt. Zusätzlich werden Hintergründe, die für die Aufgaben relevant sind, stärker beleuchtet (z.B. Hardware-Spezifika), Knackpunkte im Design und der Implementierung zusammen besprochen und Lösungen entwickelt. Tafelübungen finden im SRA-Seminarraum (Raum 135, Appelstr. 4, 1. OG) statt. Die Bearbeitung einer Aufgabe beansprucht in der Regel zwei Wochen, daher finden die Tafelübungen im 2-Wochenrhythmus statt (siehe Semesterplan).

Rechnerübungen finden im SRA-Rechnerlabor (Raum 124, Appelstr. 4, 1. OG) statt, wo zu den entsprechenden Zeiten mindestens ein Betreuer anwesend ist. Auch außerhalb der dedizierten Zeiten können Sie bei Fragen gerne bei uns vorbeischauen.

Technische Infrastruktur

Abgesehen von den Laborrechnern sind hier Möglichkeiten aufgelistet um an die Infrastruktur und Entwicklungsumgebung zu kommen:

• SSH auf die Laborrechner
• Installation der Entwicklungsumgebung auf einem eigenen PC

SSH

Für die Rechnerübungen steht die Möglichkeit zur Verfügung auf unsere Laborrechner über SSH zuzugreifen. Weitere Informationen folgen, sobald die Laboraccounts eingerichtet sind.

Eigener PC

Für die Installation auf dem eigenen PC wird folgende Software benötigt:

• QEMU (qemu, qemu-system-x86, qemu-kvm)
• Clang (build-essentials, binutils, gcc-multilibs, clang)
• nasm

Für Ubuntu:

apt install nasm qemu qemu-system-x86 qemu-kvm build-essential binutils gcc-multilib clang

Für Nix(OS): ./nix-develop.sh gibt euch eine dev shell mit allen notwendigen Abhängigkeiten.

Vorläufiger Semesterplan

Es finden 2 Abgabeslots pro Woche statt, wovon jeder Student nur einen besuchen muss. Ein Übungstermin kann dabei aus einem Tafelübungsteil (Ü1Ein-/Ausgabe) in dem die nächste Aufgabe vorgestellt wird, einer betreuten Rechnerzeit (RÜ), und einem Abgabetermin (A1Abgabe 1) bestehen.

Die Übung 0 bietet eine kurze Einführung wie ein Betriebssystem überhaupt kompiliert und ausgeführt werden kann.

Vorkenntnisse

• Grundlagen aus dem Betriebssystembereich wie Unterbrechungen, Synchronisation und Ablaufplanung aus früheren Veranstaltungen (wie Grundlagen der Betriebssysteme)
  • Wiederholung und Vertiefung in Vorlesung und Übung
• C/C++ oder Rust und Assembler (x86)
  • Betriebssystemspezifische Inhalte werden in den Übungen vermittelt.
  • Hilfe bei Bedarf

Evaluation

• SS24 • Übung • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.4
• SS24 • Vorlesung • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.1
• SS23 • Übung • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.1
• SS23 • Vorlesung • Daniel Lohmann • Evaluation (PDF) • Bewertung: 1.1

Anmeldung und weitere Infos

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