Grundlagen der Betriebssysteme

Lehrveranstaltung (LV): Grundlagen der Betriebssysteme
Angebotsart: Lehrveranstaltung und Prüfung
Frequenz: jährlich
Prüfer: Lohmann
SWS Kompakt: 4
Studiengänge:
  • Elektrotechnik und Informationstechnik - Bachelor (PO 2010), 4 LP, (KB: ETBSc-CE, ETBSc-Allg, ETBSc-Au)
  • Elektrotechnik und Informationstechnik - Bachelor (PO 2017), 5 LP, (KB: Au, CE, ZSK)
  • Elektrotechnik und Informationstechnik - Master (PO 2010), 4 LP, (KB: ETMSc-Au, ETMSc-Allg, ETMSc-Na)
  • Elektrotechnik und Informationstechnik - Master (PO 2017), 5 LP, (KB: Na, Au, ZSK)
  • Informatik - Bachelor (PO 2017), 5 LP, (KB: GI)
  • Technische Informatik - Bachelor (PO 2017), 5 LP, (KB: GI)
Betreuer: Björn Fiedler
Dozent: Daniel Lohmann
Vorlesungszeit: Dienstags, 16:15 bis 17:45
Raum/Ort: Großer Physiksaal (Raum E214, Welfenschloss)

Die Vorlesung am 27. November entfällt, da an diesem Tag der Hörsaal durch die Kinderuni belegt ist.

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. 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
  3. Systemnahe Softwareentwicklung in C (Wiederholung)
    • C vs. Java: Syntax, Idiomatik, Philosophie
    • Speicherabbildung von Variablen
    • Zeiger und Felder
    • Zeichenketten in C
  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

Materialien

  • GBS_VM Ubuntu/Linux VM für Virtualbox

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]
  2. Operating System Concepts
    Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter Bear GalvinJohn Wiley & Sons, Inc.20050-471-69466-5.
    [BibTex]
  3. Modern Operating Systems
    Andrew S. TanenbaumPrentice Hall PTR2007978-0136006633.
    [BibTex]
  4. Structured Computer Organization
    Andrew S. TanenbaumPrentice Hall PTR2006978-0131485211.
    [BibTex]
  5. Systemprogrammierung – Grundlage von Betriebssystemen: Sachwortverzeichnis
    Wolfgang Schröder-Preikschat2019.
    PDF [BibTex]
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]

Klausurstatistik

Teilnehmergruppe Bestanden Nicht bestanden
Gesamt (N=157) 76% 24%
Hausaufgaben abgegeben (N=104) 88% 13%
Hausaufgaben nicht abgegeben (N=53) 53% 47%

Anmeldung und weitere Infos

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