Grundlagen der Betriebssysteme

Lernziele

Die Veranstaltung vermittelt grundlegende Kenntnisse über den Aufbau, Funktionsweise und systemnahe Verwendung von Betriebssystemen. Behandelt werden, am Modell einer Mehrebenenmaschine, Betriebssystemabstraktionen wie Prozesse, Fäden, virtueller Speicher, Dateien, Gerätedateien und Interprozesskommunikation sowie Techniken für deren effiziente Realisierung. Dazu gehören Strategien für das Prozessscheduling, Latenzminimierung durch Pufferung und die Verwaltung von Haupt- und Hintergrundspeicher. Weiterhin werden die Themen Sicherheit im Betriebssystemkontext und Aspekte der systemnahen Softwareentwicklung in C erörtert. In den vorlesungsbegleitenden Übungen erfolgt eine praktische Vertiefung des Stoffs anhand von Programmieraufgaben in C aus dem Bereich der UNIX-Systemprogrammierung.

Im Vordergrund stehen Betriebssystemfunktionen für Einprozessorsysteme. Spezielle Fragestellungen zu Mehrprozessorsystemen (auf Basis gemeinsamen Speichers) werden nur am Rande und in Bezug auf Funktionen zur Koordinierung nebenläufiger Programme behandelt. In ähnlicher Weise werden Fragen zur Echtzeitverarbeitung ansatzweise nur in Bezug auf die Prozesseinplanung erörtert.

Stoffplan

1. Einführung
   • Systemnahe Informatik, Mehrebenenmaschine
   • Einordnung der Veranstaltung
   • Was ist denn nun ein Betriebssystem?
   • Aufbau und Organisation der Veranstaltung
2. Systemnahe Softwareentwicklung in C (Wiederholung)
   • C vs. Java: Syntax, Idiomatik, Philosophie
   • Speicherabbildung von Variablen
   • Zeiger und Felder
   • Zeichenketten in C
3. Grundlegende Konzepte
   • Mehrebenenmaschine: Vom C-Code zum Programm (in Ausführung)
   • Grundlegendes Speichermodell: Code, Data, Stack, Heap
   • Maschinenebene vs. Befehlssatzebene (von GRA zu GBS)
   • Virtualisierung durch das Betriebssystem: Grundkonzepte im Schnellüberblick
4. Dateien und Dateisysteme
   • benannte Objekte und hierarchischer Namensraum
   • Dateien und Pseudodateien
   • Aufbau eines Dateisystems
   • Pseudodateisysteme und Gerätesteuerung
5. Prozesse und Fäden
   • Der Prozessbegriff in der Informatik
   • Prozessbegriff in der Mehrebenenmaschine (virtuelle Maschine)
   • Faden (als virtueller Prozessor)
   • Adressraum (als virtueller Zustandsspeicher)
   • Programm (als Handlungsvorschrift)
6. Unterbrechungen, Systemaufrufe und Signale
   • Mehrebenenmaschine: Grundprinzip des Upcalls
   • Ablauf einer Hardwareunterbrechung, cli/sti
   • Implizite/explizite Betriebssystemaktivirungen
   • Privilegebenen, das Betriebssystem als Herrscher
7. Prozesseinplanung
   • Ebenen und Kriterien der Einplanung (Scheduling)
   • Klassische Scheduling-Verfahren (FCFS, RR/VRR, SJN, ...)
   • Echtzeitbetrieb, Multiprozessor-Scheduling
   • Linux Scheduler
8. Speicherbasierte Interaktion
   • Grundprobleme, Lost-Update, Read-Write
   • Aktives Warten mit Sperrvariablen, Varianten, Probleme
   • Prinzip des passiven Wartens
   • Semaphore
9. Betriebsmittelverwaltung, Synchronisation und Verklemmung
   • Betriebsmittel, Taxonomie (wiederverwendbar/konsumierbar, un/teilbar)
   • Livelocks und Deadlocks, 4 Bedingungen
   • Klassische Probleme (5 Philosophen, Erzeuger-Verbraucher, Leser-Schreiber)
   • Vermeidungs/Verhinderungsansätze
10. Interprozesskommunikation
    • Speichergekoppelt vs. nachrichtengekoppelt
    • send/receive, Semantiken
    • Signale
    • Pipes und Sockets
11. Speicherorganisation
    • Adressraummodelle (real, logisch, virtuell)
    • Statische Speicherzuteilung
    • Dynamische Speicherzuteilung
    • Schutz
12. Speichervirtualisierung
    • Gekachelter Speicher, Paging
    • Seitenersetzung im Detail
    • Gemeinsamer Speicher, Copy-on-Write
    • Arbeitsmengenmodell

Semesterplan

Vorkenntnisse

• Grundlagen der Rechnerarchitektur, notwendig
• Programmieren in C, notwendig

Literaturempfehlungen

Die genannten Bücher dienen zur Ergänzung des Vorlesungsstoffes, decken ihn aber nicht zu hundert Prozent ab. Die genannte Auflage versteht sich als Mindestauflage, es kann also problemlos eine neuerer Auflage herangezogen werden.

1. Operating Systems. Internals and Design Principles

   William StallingsPrentice Hall PTR2008978-0136006329.
   [BibTex]

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   BibTex Entry

   @book{stallings:08,
   author = {William Stallings},
   category = {os},
   edition = {Sixth},
   isbn = {978-0136006329},
   publisher = {Prentice Hall PTR},
   title = {Operating Systems. Internals and Design Principles},
   year = {2008},
   }

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2. Operating System Concepts

   Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter Bear GalvinJohn Wiley & Sons, Inc.20050-471-69466-5.
   [BibTex]

   ×

   BibTex Entry

   @book{silberschatz:05,
   author = {Abraham Silberschatz and Greg Gagne and Peter Bear Galvin},
   category = {os},
   edition = {Seventh},
   isbn = {0-471-69466-5},
   publisher = {John Wiley \& Sons, Inc.},
   title = {Operating System Concepts},
   year = {2005},
   }

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3. Modern Operating Systems

   Andrew S. TanenbaumPrentice Hall PTR2007978-0136006633.
   [BibTex]

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   BibTex Entry

   @book{tanenbaum:07:mos,
   author = {Andrew S. Tanenbaum},
   category = {os},
   edition = {Third},
   isbn = {978-0136006633},
   publisher = {Prentice Hall PTR},
   title = {Modern Operating Systems},
   year = {2007},
   }

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4. Structured Computer Organization

   Andrew S. TanenbaumPrentice Hall PTR2006978-0131485211.
   [BibTex]

   ×

   BibTex Entry

   @book{tanenbaum:06:sco,
   author = {Andrew S. Tanenbaum},
   category = {os},
   edition = {Fifth},
   isbn = {978-0131485211},
   publisher = {Prentice Hall PTR},
   title = {Structured Computer Organization},
   year = {2006},
   }

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5. Systemprogrammierung – Grundlage von Betriebssystemen: Sachwortverzeichnis

   Wolfgang Schröder-Preikschat2019.
   PDF [BibTex]

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   BibTex Entry

   @misc{schroeder-preikschat:glossar,
   author = {Wolfgang Schr{ö}der-Preikschat},
   title = {Systemprogrammierung – Grundlage von Betriebssystemen: Sachwortverzeichnis},
   url = {https://www4.cs.fau.de/DE/~wosch/glossar.pdf},
   year = {2019},
   }

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Falls die Anwendung der Programmiersprache C noch Schwierigkeiten bereitet:

1. C als erste Programmiersprache: Vom Einsteiger zum Fortgeschrittenen

   Manfred Dausmann, Ulrich Bröckl, Dominic Schoop, Joachim GollVieweg+Teubner2010978-3834812216.
   [BibTex]

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   BibTex Entry

   @book{dausmann:10,
   author = {Manfred Dausmann and Ulrich Br{ö}ckl and Dominic Schoop and Joachim Goll},
   isbn = {978-3834812216},
   publisher = {Vieweg+Teubner},
   title = {C als erste Programmiersprache: Vom Einsteiger zum Fortgeschrittenen},
   url = {https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-8348-9879-1.pdf},
   year = {2010},
   }

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