Systemnahe Informatik 2 für Lehramtsstudierende

Inhalt der Vorlesung

Die Studierenden lernen grundlegende Konzepte von Systemsoftware und Betriebssystemen kennen. Die Veranstaltung vermittelt grundlegende Kenntnisse über Aufbau, Funktionsweise und 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 des Umgangs mit Betriebsssytemen in der Praxis erörtert. In den vorlesungsbegleitenden Übungen erfolgt eine praktische Vertiefung des Stoffs anhand von Programmier- und Anwendungsaufgaben.

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
   • Virtualisierung durch das Betriebssystem: Grundkonzepte im Schnellüberblick
3. Dateien und Dateisysteme
   • benannte Objekte und hierarchischer Namensraum
   • Dateien und Pseudodateien
   • Aufbau eines Dateisystems
   • Pseudodateisysteme und Gerätesteuerung
4. 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)
5. Unterbrechungen, Systemaufrufe und Signale
   • Mehrebenenmaschine: Grundprinzip des Upcalls
   • Ablauf einer Hardwareunterbrechung, cli/sti
   • Implizite/explizite Betriebssystemaktivirungen
   • Privilegebenen, das Betriebssystem als Herrscher
6. Prozesseinplanung
   • Ebenen und Kriterien der Einplanung (Scheduling)
   • Klassische Scheduling-Verfahren (FCFS, RR/VRR, SJN, ...)
   • Echtzeitbetrieb, Multiprozessor-Scheduling
   • Linux Scheduler
7. Speicherorganisation
   • Adressraummodelle (real, logisch, virtuell)
   • Statische Speicherzuteilung
   • Dynamische Speicherzuteilung
   • Schutz
8. Speichervirtualisierung
   • Gekachelter Speicher, Paging
   • Seitenersetzung im Detail
   • Gemeinsamer Speicher, Copy-on-Write
   • Arbeitsmengenmodell
9. Speicherbasierte Interaktion
   • Grundprobleme, Lost-Update, Read-Write
   • Aktives Warten mit Sperrvariablen, Varianten, Probleme
   • Prinzip des passiven Wartens
   • Semaphore
10. 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
11. Interprozesskommunikation
    • Speichergekoppelt vs. nachrichtengekoppelt
    • send/receive, Semantiken
    • Signale
    • Pipes und Sockets

Semesterplan

Vorkenntnisse

• Systemnahe Informatik 1, notwendig
• Programmieren, 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]

   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},
   }

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 = {7.},
   isbn = {0-471-69466-5},
   publisher = {John Wiley \& Sons, Inc.},
   title = {Operating System Concepts},
   year = {2005},
   }

3. Modern Operating Systems

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

   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},
   }

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},
   }

5. Systemprogrammierung – Grundlage von Betriebssystemen: Sachwortverzeichnis

   Wolfgang Schröder-Preikschat2019.
   PDF [BibTex]

   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},
   }

Anmeldung und weitere Infos

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Systemnahe Informatik 2