Lektion 1 - Betriebssysteme

Vokabelkarten zum grundlegenden Aufbau von Computersystemen und der Rolle des Betriebssystems.

Betriebssystem

Software, die die Ausführung von Programmen steuert und Dienste wie Ressourcenzuweisung, Ablaufplanung, Ein-/Ausgabesteuerung und Datenmanagement erbringen kann.

Prozessor

Besteht aus Steuer- und Rechenwerk; leitet die Ausführung des Programms, koordiniert die Ausführung der Befehle, und erledigt Berechnungen.

Steuerwerk

Leitet die Ausführung des Programms; verantwortlich für die richtige Reihenfolge der Befehle.

Rechenwerk

Erledigt die eigentlichen Berechnungen; ausgestattet mit arithmetischen und logischen Funktionen (ALU).

ALU

Arithmetic Logical Unit; Satz an arithmetischen und logischen Funktionen des Rechenwerks.

Hauptspeicher

Random Access Memory; freie Adressierbarkeit, wahlfreier Zugriff auf abgelegte Daten; Daten und Instruktionen können gemischt abgelegt werden.

Byte

Kleinste adressierbare Größe im Hauptspeicher, besteht aus 8 Bit.

Ein-/Ausgabe-Komponenten

Schnittstellen zur Umgebung, zuständig für Ein- und Ausgabe von Daten und Programmen, sowie Kommunikation mit Anwendern und Hintergrundspeichern.

Kommunikation

Interne Kommunikation zwischen den Elementen von Neumann über Bus-Systeme.

Adressbus

Prozessor teilt Hauptspeicher mit, welche Speicherzelle ausgelesen wird.

Datenbus

Austausch des Inhalts der Zelle zum Prozessor.

Bus

Kommunikationsmedium, immer nur in eine Richtung gleichzeitig und nur zwischen zwei Partnern.

Befehl holen

Nächster Befehl des Computerprogramms wird aus dem Hauptspeicher in den Prozessor geladen.

Befehl decodieren

Befehle liegen im Hauptspeicher in Form von Zahlen (Maschinensprache) vor, die der Prozessor decodiert.

Operand holen

Der decodierte Befehl wird auf Operanden angewandt, ggf. werden Operanden aus dem Hauptspeicher geladen.

Befehl ausführen

Das Rechenwerk führt die eigentliche Berechnung durch.

Ergebnis speichern

Das Ergebnis wird im Hauptspeicher abgelegt oder temporär in Registern zwischengespeichert.

Programmzähler

Instruction Pointer; Speicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls.

Maschinensprache

Jede Prozessorfamilie hat eine eigene Maschinensprache und einen Satz an ausführbaren Befehlen (Instruction Set Architecture).

Register

Schneller Zwischenspeicher innerhalb eines Prozessors, in dem Ergebnisse temporär für weitere Berechnungen abgelegt werden.

Befehls-Pipelining

Überlappung der einzelnen Schritte des Von-Neumann-Zyklus, sodass im Idealfall pro Taktschritt ein Befehl fertiggestellt wird.

Vektor

Rechenoperation wird parallel auf einen ganzen Satz an Operanden angewendet.

Caches

Zusätzliche Zwischenspeicher, die die Lücke zwischen der Schnelligkeit des Hauptspeichers und des Prozessors schließen.

Taktschritt

Prozessoren arbeiten in einer bestimmten Taktfrequenz, wobei jeder Takt einem Schritt im Von-Neumann-Zyklus entspricht.

Cache

Schneller Assoziativspeicher, der die Lücke zwischen den Zugriffszeiten des schnellen Prozessors und den langsamen Hauptspeicherzellen schliesst.

Parallelverarbeitung

Ein System mit n Verarbeitungseinheiten kann die Verarbeitung im Idealfall um den Faktor n beschleunigen.

Multicore-Systeme

Mehrere logische Prozessoren werden auf einem Chip verbaut.

Facetten und Aufgaben von Betriebsystemen

Unterstützung von Betriebsarten, Organisation der Programmabwicklung, Bereitstellung von Benutzerschnittstellen, Benutzer-, Geräte- und Ressourcenverwaltung, Systemsicherheit und Systemüberwachung.

Urlader/Bootloader

Nicht-flüchtiges Stück Software (Bootloader), das das Betriebssystem lädt.

Kernel

Kern-Codes eines Betriebssystems, der im privilegierten Modus ausgeführt wird und einen weiteren Satz an Befehlen besitzt, die nur vom Betriebssystem benutzt werden darf.

Systemaufrufe

Schnittstelle zwischen Anwendungsprogramm, Betriebssystem und Hardware.

Interrupt Controller

Erweiterung des Von-Neumann-Modells; Mikrocontroller verarbeitet eingehende Signale und sendet Interrupt-Signale an die CPU.

Interrupt

Hardware-Signal, das eine Unterbrechung der aktuellen Ausführung auslöst und einen Sprung ins Betriebssystem bewirkt.

Mehrbenutzerbetrieb

Betriebssystem erlaubt, dass Programme von mehreren Benutzern verarbeitet werden können.

Stapelverarbeitung

Automatische hintereinander und/oder parallele Ausführung einer großen Menge an Aufgaben (Jobs).

GUI

Grafische Benutzerschnittstelle, die die Interaktion mit der Hardware ermöglicht.

Gerätetreiber

Programmcode, der die Kommunikation mit angeschlossenen Geräten steuert und im privilegierten Kernel-Modus ausgeführt wird.

Prozesse

Programme, die sich in Ausführung befinden; Ausführung eines Programms, das gerade vom Prozessor ausgeführt wird und Daten-/Code-Bereiche im Hauptspeicher belegt.

Programme vs. Prozesse

Folge bzw. Menge von Maschinenbefehlen vs. Programme in Ausführung.

Prozesskontrollblock

Datenstruktur im Hauptspeicher, die den aktuellen Status eines Prozesses verwaltet.

Multitasking

Prozesse werden in einem System quasi-parallel durch ständige Prozesswechsel auf der CPU ausgeführt.

Multiprocessing

In einem System mit mehr als einer CPU wird Multitasking zum Multiprocessing erweitert, was echte Parallelverarbeitung ermöglicht.

Prozesszustände

aktiv, bereit, blockiert

Präemptives Multitasking

Wiederholte, zeitweise Unterbrechung der einzelnen Prozesse, um die Bearbeitung eines jeweils anderen Prozesses zu ermöglichen.

Quasi-gleichzeitig

Verschiedene Vorgänge werden in so kurzen Abständen abwechselnd aktiviert, dass der Eindruck der Gleichzeitigkeit entsteht.

Multithreading

Quasi-gleichzeitiges Abarbeiten mehrerer Threads desselben Prozesses.

Zeitscheibe

Zeit, die ein Prozess maximal durchgehend von der CPU bedient werden darf, bevor das Betriebssystem wieder die Kontrolle erhält.

Thread

Ausführungsfaden innerhalb eines Prozesses, programmiert über spezielle APIs.

Systembibliotheken

Häufig verwendete und insbesondere systemnahe Funktionen, die von Systembibliotheken den Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.

Fragmentierung

Zerstückelung eines Speicherraums.

Abstraktion

Vereinfachung komplexer Systeme oder Konzepte durch Ausblenden unnötiger Details.

Dynamische Speicherverwaltung

Betriebssystem bietet Funktionen für Programme, Speicher zu allokieren und wieder freizugeben.

Zuteilungsstrategie

Algorithmus, der entscheidet, welche freie Speicherregion welcher Anforderung zugeteilt wird.

First Fit

Ersten freien und passenden Block zuteilen.

Next Fit

Wie First-Fit, jedoch Suche bei letzter Zuteilung fortsetzen.

Best Fit

Jenen Block zuteilen, der den kleinsten Rest übrig lässt.

Worst Fit

Jenen Block zuteilen, der den größten Rest übrig lässt.

Physische Adresse

Reale, am Adressbus anliegende Adresse der Speicherzellen.

Logische Adresse

Virtuelle, auf den Startpunkt 0 bezogene Adresse, die mit Hilfe einer Hardware-Einheit (MMU) in die physische Adresse umgerechnet wird.

Paging

Virtuelle Speicherverwaltung mittels Speicherblöcken fester Länge.

Speicherschutz

Fehlerhafte Programme daran hindern, wild Daten im Hauptspeicher zu verändern.

Speicherzugriffsprüfung

Speicherverwaltungseinheit (MMU) vergleicht angeforderte Adresse mit der im Grenzregister gespeicherten Grenze.

virtuelle Speicherverwaltung

Der Hauptspeicher wird in Seiten (Pages) eingeteilt und vom Betriebssystem im Zusammenspiel mit der MMU in Form von Tabellen verwaltet.

Kachel

Blöcke des physischen Hauptspeichers bei der virtuellen Speicherverwaltung.

die Umrechnung von virtuellen in physische Adressen

Feststellen zu welcher Speicherseite die virtuelle Adresse gehört, Nachschlagen in einer Tabelle, wo diese Seite im physischen Hauptspeicher auf welcher Kachel abgelegt ist, Berechnen der tatsächlichen physischen Adresse

Seitentabellen

Adressumsetzung über Seitentabellen.

Translation Lookaside Buffer (TLB)

Schneller Assoziativspeicher, der für die MMU den Satz an jüngst verwendeten Tabelleneinträgen vorhält.

Demand Paging

Seiten erst bei Bedarf in den Hauptspeicher einlesen.

First-In-First-Out (FIFO)

Es wird jene Seite verdrängt, die am längsten im Hauptspeicher liegt.

Least Frequently Used (LFU)

Auf die am wenigsten zugegriffen wurden.

Least Recently Used (LRU)

Auf die am längsten nicht mehr zugegriffen wurde.

Not Recently Used (NRU)

Verdrängungsverfahren für Speicherseiten, das sich in Hardware einfach durch die Verwendung von zwei Bits (ACCESSED und DIRTY) realisieren lässt.

Blockgeräte

Speichergeräte, die Daten in gleich großen Blöcken speichern und verwalten.

Das Betriebsystem

Beim Festplattencontroller eine bestimmten Block zum Lesen anfordern.

LBA

Logische Blockadressen.

Betriebssystem

Dateisystem verwaltet und organisiert die Daten, die auf Blockgeräten gespeichert sind

Datei

Menge an Daten, die unter einem Namen als logische Einheit zusammengefasst werden.

Formatierung

Initiales Einrichten eines Datenträgers für ein bestimmtes Dateisystem.

I-Node

Grundlegende Datenstruktur in vielen Dateisystemen, die eindeutig eine Datei oder ein Verzeichnis repräsentiert.

Dateiblockzeiger

Verweise auf die Datenblöcke mit den eigentlichen Dateiinhalten.

Verzeichnis

Datei, die eine Tabelle mit Dateinamen und I-Node-Adressen enthält.

Verzeichnisbaum

Navigation durch I-Nodes der Verzeichnisse.

Was hat es mit Kibibyte und Kilobyte aufsich?

Die Begriffe Kibibyte (KiB) und Kilobyte (KB) entstehen aus dem Unterschied zwischen dezimaler und binärer Berechnung von Speichergrößen.

Simultaneous Multithreading

Hardware-Level-Threads soll helfen die Hardware-Ressourcen eine einzelnen Prozessors besser auszulasten