Grundlagen der Betriebssysteme


Semester:
Wintersemester

Anrechenbar im:
Bachelor

Leistungspunkte
5

Dozent:
Daniel Lohmann

Betreuer:
Tim-Marek Thomas, Björn Fiedler

E-Mail:
gbs@sra.uni-hannover.de

Zeit/Raum:
  • Vorlesung: Dienstag, 16:15-17:45, Online, Präsenz und Aufzeichnung
  • Tafelübung: Freitag (zweiwöchentlich), 12:30-14:00, Präsenz
  • Rechnerübung: siehe Stud.IP

Stud.IP-Veranstaltung:

Online-Veranstaltung oder Präsenzveranstaltung
Diese Veranstaltung wird als Hybridveranstaltung durchgeführt. Vorlesung, Tafel- und Gruppenübung werden dabei gleichzeitig in Präsenz und synchron in BBB abgehalten. Vorlesung und Tafelübung werden zudem als Aufzeichnung bereitgestellt.

Unabhängig vom Veranstaltungsformat behalten die angekündigten Zeiten ihre Gültigkeit. Inhalte werden in Vorlesung und Tafelübung vermittelt. Die Rechnerübungen dienen der Festigung und Übung des gelernten.

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


Partition A + B Partition A
Partition B


Vorlesungstermine Übungstermine Hausaufgaben
Übungstermine Hausaufgaben
10.10.22 Mo





11.10.22 Di 1. Einführung




12.10.22 Mi





13.10.22 Do





14.10.22 Fr
Aufgabe 1


15.10.22 Sa

Warmup


16.10.22 So

lilo


17.10.22 Mo




18.10.22 Di 2. Grundlegende Konzepte




19.10.22 Mi





20.10.22 Do





21.10.22 Fr



Aufgabe 1
22.10.22 Sa




Warmup
23.10.22 So




lilo
24.10.22 Mo




25.10.22 Di 3. Systemnahe Softwareentwicklung in C




26.10.22 Mi





27.10.22 Do





28.10.22 Fr
Aufgabe 2


29.10.22 Sa

Speicher


30.10.22 So

halde


31.10.22 Mo





01.11.22 Di 4. Dateien und Dateisysteme



02.11.22 Mi





03.11.22 Do





04.11.22 Fr



Aufgabe 2
05.11.22 Sa




Speicher
06.11.22 So




halde
07.11.22 Mo




08.11.22 Di 5. Prozesse und Fäden




09.11.22 Mi





10.11.22 Do





11.11.22 Fr
Aufgabe 3


12.11.22 Sa

Dateisystem


13.11.22 So

crawl


14.11.22 Mo




15.11.22 Di 6. Unterbrechungen,
Systemaufrufe und Signale





16.11.22 Mi





17.11.22 Do





18.11.22 Fr



Aufgabe 3
19.11.22 Sa




Dateisystem
20.11.22 So




crawl
21.11.22 Mo




22.11.22 Di 7. Prozesseinplanung




23.11.22 Mi





24.11.22 Do





25.11.22 Fr
Aufgabe 4


26.11.22 Sa

Prozesse


27.11.22 So

clash


28.11.22 Mo




29.11.22 Di 8. Speicherbasierte Interaktion




30.11.22 Mi





01.12.22 Do





02.12.22 Fr



Aufgabe 4
03.12.22 Sa




Prozesse
04.12.22 So




clash
05.12.22 Mo




06.12.22 Di 9. Betriebsmittelverwaltung,
Synchronisation und
Verklemmung





07.12.22 Mi





08.12.22 Do





09.12.22 Fr
Aufgabe 5


10.12.22 Sa

Synchronisation


11.12.22 So

patric


12.12.22 Mo




13.12.22 Di 10.Interprozesskommunikation




14.12.22 Mi





15.12.22 Do





16.12.22 Fr



Aufgabe 5
17.12.22 Sa




patric
18.12.22 So





19.12.22 Mo




20.12.22 Di KEINE Vorlesung




21.12.22 Mi







Weihnachten




04.01.23 Mi





05.01.23 Do





06.01.23 Fr





07.01.23 Sa





08.01.23 So





09.01.23 Mo




10.01.23 Di Testatklausur




11.01.23 Mi





12.01.23 Do





13.01.23 Fr
Aufgabe 6
Aufgabe 6
14.01.23 Sa

Kommunikation

Kommunikation
15.01.23 So

ticker,

ticker,
16.01.23 Mo




17.01.23 Di 11. Speicherorganisation




18.01.23 Mi





19.01.23 Do





20.01.23 Fr
Testat Besprechung



21.01.23 Sa





22.01.23 So





23.01.23 Mo
Fragestunde

Fragestunde
24.01.23 Di 12. Speichervirtualisierung




25.01.23 Mi





26.01.23 Do





27.01.23 Fr



Testat Besprechung


ENDE Vorlesungszeit














Fragestunde






















Klausur




Vorkenntnisse

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

Für diese Veranstaltung ist eine Online-Anmeldung über Stud.IP erforderlich. Bitte registrieren Sie sich (falls noch nicht geschehen) für Stud.IP und tragen Sie sich dort in die entsprechende Veranstaltung ein.

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