Modul: Programmierung (B-PRG) Grundlagen der … · 2007. 12. 20. · 1 Modul: Programmierung...

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Modul: Programmierung (BModul: Programmierung (B--PRG)PRG)Grundlagen der Programmierung 1 Grundlagen der Programmierung 1 –– Teil 3Teil 3

Betriebssystemschichten und Betriebssystemschichten und virtuelle Maschinenvirtuelle Maschinen

Prof. Dr. R. BrauseAdaptive SystemarchitekturInstitut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12)

Grundlagen der Programmierung 1 - Teil 3 R.Brause: Betriebssysteme Übersicht Folie 2

Übersicht

Betriebssysteme, Schichten und virtuelle Maschinen

Prozesse, Nebenläufigkeit

Synchronisierung, Kommunikation, nicht-seq. Programmierung

Dateioperationen, Dateisysteme

Sicherheit und Schutzmechanismen

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Einführung

DEF: Was ist ein Betriebssystem ?

? die Gesamtheit der Programmteile, die die Benutzung von Betriebsmitteln steuern und verwalten

? die Software (Programmteile), die für den Betrieb eines Rechners anwendungsunabhängig notwendig ist


Betriebssystemaufbau

benutzt

benutzt

benutzt

Benutzer

Benutzerprogramm

Maschinenhardware

Betriebssystem

Benutzungsrelationen

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Betriebssystemaufbau

User 1 User 2 User 3Compiler Editor ... Spiele

BetriebssystemdiensteHardware

HW

Schichtenmodell Zwiebelschalenmodell

• Abgeschlossenheit• Sichtbarkeit

Betriebssystemschichten

• Paralleler Zugriff• Sequentieller Aufruf

Aspekte


Typischer Betriebssystemaufbau

Systemaufruf

Maschinencode

BenutzeroberflächeUser Interface Management System

BetriebssystemkernOperating System Kernel

Hardware

Anwen-dung 1

Dienst-programm

Werk-zeug

…

Benutzer 1 … Benutzer N

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UNIX-Betriebssystemkern

…

…user mode

kernel mode

Benutzer-Programm 1

System-Programm 1

System-Programm 2

Benutzer-Shell 1

Benutzer-Shell 2

Überprüfbare Schnittstelle und FunktionsverteilungSpeicher-

verwaltungSerielle Ein/Ausgabe Dateisystem

Prozess-Dis-play

TTY Drucker MausPlatte

FloppyNetz

manage-ment

Hardware

MultiMulti--UserUser

MultiMulti--programmingprogramming

Implementierungsunabhängige Schnittstellen:PPortable OOperating SSystem IInterface based on UniXX

Benutzungsoberfläche


Windows NT - Anforderungen

kompatibel zu vorhandenen Systemen Unix, DOS, ..

zuverlässig und robust

leicht übertragbar auf andere CPUs (Portierbarkeit)

leicht veränderbar und anpassungsfähig

leistungsstark

Geht das überhaupt ?

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Windows NT - Betriebssystemkern

user modekernel mode

SystemdiensteObject

ManagerProcess

ManagerLocal

Proc. CallsMemoryManager

SecurityMonitor

I/OSystem

Kernel services

Hardware Abstraction Layer HALHardware

POSIXClient

Win/DOSClient

OS/2Client

Win32Subsys-

tem

POSIXSubsys-

tem

OS/2Subsys-

temLogon

SecuritySubsys-

tem

Idee: Zwischenschichten (Subsysteme) einführen

LPC

SysCall

Win NT 3.1, Win NT4.0, Windows 2000, Windows XP, VistaVersion 3.1 4.0 5.0 5.1 6.0


Windows NT - Lösungen

Kompatibilitätpro emuliertes BS ein extra Subsystem (Server), von Kunden(Clients) durch Nachrichten (local procedure calls LPC) angefordert. Sie setzen auf Dienstleistungen der NT Executive (system calls) auf.

RobustheitTrennung der Programm-Ablaufumgebungen (virt. Maschinen) kein direkter Hardwarezugriff,fehlertolerantes Dateisystem, Netzdienste

PortierbarkeitIn C geschriebene Module, auf Hardwaremodell aufsetzend

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BSBS--SchnittstellenSchnittstelleninin PythonPython


Python OS-Modul: Prozessoperationen

exec*(...) Sofortiges Ausführen eines Programms; das jetzige wird nach dessen Start abgebrochen.* = l, le, lp, lpe feste Parameterzahl, e=envir, p=use path in e

= v, ve, vp, vpe variable Parameterzahl

pid = fork() Prozesserzeugung durch Kopie, Eltern: pid=0 (Unix)

sys.exit(n) Abbruch des Prozesses. _exit(n) für fork()n = Ergebniscode

spawn*(...) Sofortiges Ausführen eines Programms; das jetzige läuft nach dessen Start weiter.* = l, le, lp, lpe feste Parameterzahl, e=envir, p=use path in e

= v, ve, vp, vpe variable Parameterzahl

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Python OS-Modul: Prozess-Parameter

getlogin – Benutzernameuname(sysname, nodename, release, version, machine)

– Alles über die Maschineenviron, getenv, – Arbeitsumgebung: putenv Definition der Variablennamenfchdir(fd), chdir(path), – Arbeitsordner-Pfadnamencwd

get, set :uid – Benutzer ID des Prozessesgid, pgid(pid), pgrp, groups – Gruppen IDs des Prozessespid, ppid – Eltern ID des Prozessesumask (mask) – Erzeugermaske des Prozesses


Python OS-Modul: Dateioperationen

fdopen - Erzeugen oder Öffnen von Dateien

read,write - Lesen und Schreiben auf Dateien

close - Schliessen von Dateien

popen - Aufsetzen von pipes

remove, rename - Löschen oder Umbenennen von Dateien

chmod, chown - Lesen und Setzen von Zugriffsrechten von Dateien

access - Test auf Zugriffsrechte an Dateien oder Pfade

listdir, mkdir, - Auslesen, Erzeugen,Löschen von Ordnernrmdir

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Python Betriebssystem-nahe Module

platform – Identifikation des benutzten Betriebssystems

locale, gettext – lokale bzw. nationale Besonderheiten

curses – Ansteuerung der blinkenden Bildschirmmarke

mutex – Objekte zum gegenseitigen Ausschluss

time, datetime – Abfrage und Konversion der Zeit

stat – Typ einer Datei (file, pipe, special device, link, directory, socket)

getpass – Einlesen des Passworts

getopt – Einlesen und parsing der übergebenen Parameter

shutil – „höhere“ Dateioperationen wie Kopieren, Verschieben oder Löschen eines ganzen Dateibaums.

Schnittstellen Schnittstellen undund

Virtuelle MaschinenVirtuelle Maschinen

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Schnittstelle : Beispiel

Rechteck zeichnen, Länge dx, Breite dyDrawRectangle(float dx,dy)

Methode: DrawRectangleDaten: float dx,dyProtokoll:

• zuerst Modul „Grafik“ initialisieren• dann Skalierung setzen• dann Bezugspunkt setzen• schließlich Rechteck zeichnen.

benutzt die Methode drawLine mit den Daten x0,y0,x1,y1


Schnittstellen : Verallgemeinerung

Eine SchnittstelleSchnittstelle besteht ausDaten sowie Funktionen bzw. Methoden dafür (Objekte)Protokolle für die Benutzung der Funktionen und Daten, mit denen das Objekt Dienstleistungen erbringt (Exportschnittstelle)

Die ImplementierungImplementierung benötigt dazuDaten, Funktionen und Protokolle für die Dienstleistungen, die sie zur Erfüllung benötigt (Importschnittstelle).

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Daten

code

Schnittstellen & Abstrakte Datentypen

Abstrakter Datentyp = Zugriff auf Daten nur über definierte Funktionen (Kapselung)

Schnittstelle des ADT = Zugriff + Reihenfolge des Zugriffs= Funktionen + Protokoll

ObjektMethode1(.)

Methode2(.)

Attribut A


Daten

code

Schnittstellen & Abstrakte Datentypen

Abstrakter Datentyp = Zugriff auf Daten nur über definierte Funktionen (Kapselung)

Schnittstelle des ADT = Zugriff + Reihenfolge des Zugriffs= Funktionen + Protokoll

ObjektMethode1(.)

Methode2(.)

Attribut A

Kapselunginformation hiding

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Schnittstellen: Export & Import

Export/ Import ist relativ bzgl. einer Sicht !

Export Import

ExportImport

Modul 1

Modul 2


Abstrakte und Virtuelle Maschinen

Beispiel: Zeichne ein Rechteck

DrawRectangle(x0,y0,x1,y1)

(x0,y0)

(x1,y1)

DrawRectangle(x0,y0,x1,y1)

Graphic Processor Unit(GPU)

Display(RAM)

DrawRectangle(x0,y0,x1,y1)V1

DrawLine(x0,y0,x1,y0)DrawLine(x1,y0,x1,y1)DrawLine(x1,y1,x0,y1)DrawLine(x0,y1,x0,y0)

V2

SetPoint(x0,y0,black)SetPoint(x0+dx,y0,black)

…

V3

Display(RAM) V4

Maschine 1 Maschine 2

Abstrakte MaschineVirtuelle Maschine

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Abstrakte und Virtuelle Maschinen

Beispiel Waschmaschine

Benutzungsoberfläche

Controller

reelle Maschine

Motor, Druckventile, Temperatursensoren, Heizungen, Pumpen

Abstrakte Maschine:

• nur Zugang geregelt

• Implementation ist verborgen

Schichtenmodell:

Schnittstellen,

virtuelle Maschine


Windows NT - Betriebssystemkern

user modekernel mode

Systemdienste

POSIXClient

Win/DOSClient

OS/2Client

Win32Subsys-

tem

POSIXSubsys-

tem

OS/2Subsys-

temLogon

SecuritySubsys-

tem

Idee: virtuelle Maschinen einführen

LPC

SysCall

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Schicht 2

Virtuelle Maschinen

Schicht 1

Zeit

Schicht 3

Schichtenabstraktion


Beispiel: virtuelle CPU

Software-Hardware-Migration bei virt. CPU

Programm in Java-CodeJava-Code / Maschinencode

CPU- Hardware

Programm in Java-CodeMicrocode-

und CPU-Hardware

Konfiguration 1 Konfiguration 2

VorteileProgramm muss bei HW-Wechsel nicht geändert werden

Unabh. HW-Entwicklung je nach Kundenwunsch

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Virtuelle, logische, physikalische Geräte

Beispiel: virtueller Festplattenspeicher

logische Geräte

= physikalische Geräte + HW-Treiber.

Kontrolle Daten

Treiber für log. Geräte

Virtuelles Gerät

log. Gerät 1 log. Gerät 2

phys.Gerät 1

Treiber 1

phys.Gerät 2

Treiber 2virtuelle Geräte

= logische Geräte +Verwaltungstreiberstorage management

Blockaggregation


Beispiel: Virtueller Massenspeicher

Storage Area Network SAN asym. PoolingLAN

Ortsinfo

file servermetadataserver

Bloc

k I/O

S A N

Lun 2

NAS

NetworkAttachedStorage

Anfrage

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