Grundlagen der Betriebssysteme

E-Mail: gbs@sra.uni-hannover.de
Dozent: Daniel Lohmann
Betreuer: Björn Fiedler
Vorlesungszeit: Dienstags, 16:15 bis 17:45
Tafelübungszeit: Freitags, zweiwöchentlich, 12:30 bis 14:00
Rechnerübungszeit: Siehe Stud.IP
Raum/Ort: Online

Online-Veranstaltung
Coronabedingt findet diese Veranstaltung ausschließlich online statt. Inhalte werden in Vorlesung und Tafelübung vermittelt. Die Rechnerübungen dienen der Festigung und Übung des gelernten.

Vorlesung: Live-Streaming und Aufzeichnung
Tafelübung: Live-Streaming und Aufzeichnung
Rechnerübung: Interaktion und Fragen via BBB

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



Vorlesung Übung






Vorlesungstermine Übungstermine Hausaufgaben
12.10.20 Mo


13.10.20 Di 1. Einführung

14.10.20 Mi


15.10.20 Do


16.10.20 Fr
Aufgabe 1
17.10.20 Sa

Warmup
18.10.20 So

lilo
19.10.20 Mo

20.10.20 Di 2. Systemnahe Softwareentwicklung in C

21.10.20 Mi


22.10.20 Do


23.10.20 Fr


24.10.20 Sa


25.10.20 So


26.10.20 Mo


27.10.20 Di 3. Grundlegende Konzepte

28.10.20 Mi


29.10.20 Do Reformationstag

30.10.20 Fr
Aufgabe 2
31.10.20 Sa

Speicher
01.11.20 So

halde
02.11.20 Mo

03.11.20 Di 4. Dateien und Dateisysteme

04.11.20 Mi


05.11.20 Do


06.11.20 Fr


07.11.20 Sa


08.11.20 So


09.11.20 Mo


10.11.20 Di 5. Prozesse und Fäden

11.11.20 Mi


12.11.20 Do


13.11.20 Fr
Aufgabe 3
14.11.20 Sa

Dateisystem
15.11.20 So

crawl
16.11.20 Mo

17.11.20 Di 6. Unterbrechungen,
Systemaufrufe und Signale


18.11.20 Mi


19.11.20 Do


20.11.20 Fr


21.11.20 Sa


22.11.20 So


23.11.20 Mo


24.11.20 Di 7. Prozesseinplanung

25.11.20 Mi


26.11.20 Do


27.11.20 Fr
Aufgabe 4
28.11.20 Sa

Prozesse
29.11.20 So

clash
30.11.20 Mo

01.12.20 Di 8. Speicherbasierte Interaktion

02.12.20 Mi


03.12.20 Do


04.12.20 Fr


05.12.20 Sa


06.12.20 So


07.12.20 Mo


08.12.20 Di 9. Betriebsmittelverwaltung,
Synchronisation und
Verklemmung


09.12.20 Mi


10.12.20 Do


11.12.20 Fr
Aufgabe 5
12.12.20 Sa

Synchronisation
13.12.20 So

patric
14.12.20 Mo

15.12.20 Di 10.Interprozesskommunikation

16.12.20 Mi


17.12.20 Do


18.12.20 Fr




Weihnachten

04.01.21 Mo


05.01.21 Di Testatklausur

06.01.21 Mi


07.01.21 Do


08.01.21 Fr
Aufgabe 6
09.01.21 Sa

Kommuniation
10.01.21 So

ticker,
11.01.21 Mo

12.01.21 Di 11. Speicherorganisation

13.01.21 Mi


14.01.21 Do


15.01.21 Fr


16.01.21 Sa


17.01.21 So


18.01.21 Mo


19.01.21 Di 12. Speichervirtualisierung

20.01.21 Mi


21.01.21 Do


22.01.21 Fr
Testat Besprechung
23.01.21 Sa


24.01.21 So


25.01.21 Mo
Fragestunde
26.01.21 Di


27.01.21 Mi


28.01.21 Do


29.01.21 Fr




ENDE Vorlesungszeit








Fragestunde













Klausur

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]

Anmeldung und weitere Infos

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