Betriebssysteme-V+EÜ (BS-VEU)7.5 ECTS
(englische Bezeichnung: Operating Systems L+EE)
(Prüfungsordnungsmodul: Betriebssysteme (Vorlesung mit erweiterten Übungen))

Lehrveranstaltungen:

• • Betriebssysteme
    (Vorlesung, 2 SWS, Volkmar Sieh, Do, 14:15 - 15:45, 0.031-113)
  • Erweiterte Übungen zu Betriebssysteme
    (Übung, 4 SWS, Phillip Raffeck et al., Mi, 16:00 - 18:00, 01.153-113 CIP; Fr, 14:00 - 16:00, 01.153-113 CIP)
  • Übungen zu Betriebssysteme (Rechnerübungen)
    (Übung, Phillip Raffeck et al., Mi, 14:00 - 16:00, 01.153-113 CIP; Fr, 12:00 - 14:00, 01.153-113 CIP)

Empfohlene Voraussetzungen:

• C/C++ (Übungsaufgaben werden in C++ implementiert)

• Assembler (Grundkenntnisse)

  Es wird empfohlen, folgende Module zu absolvieren, bevor dieses Modul belegt wird:

  Systemprogrammierung (SS 2022)

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Inhalt:

Inhalt des Moduls ist Vermittlung grundlegender Konzepte, Methoden und Techniken von Betriebssystemen aus dem Blickwinkel einer Betriebssystementwicklerin. Im Rahmen der Übungen entwickeln die Studierenden in einem "bottom-up" Entwurf- und Entwicklungsprozess ihr eigenes Mehrkernbetriebssystem für die IA-32 Platform, ausgehend von der "nackten Hardware" über grundlegende Ein-Ausgabemöglichleiten, Unterbrechungsbearbeitung bis hin zu quasi- und echtparalleler Programmausführung.

Lernziele und Kompetenzen:

Studierende, die das Modul erfolgreich abgeschlossen haben:

• erläutern den Startvorgang eines Rechensystems am Beispiel eines IA32 PCs.

• beschreiben die spezifischen Herausforderungen bei der Softwareentwicklung für "bare metal".
  

• beschreiben den Ablauf einer Unterbrechungsbehandlung von der Hardware bis zur (System-)software.

• skizzieren Besonderheiten und Strategien der Unterbrechungsbehandlung in Hardware für Mehrkernsystemen am Beispiel des IA32-APICs.

• diskutieren die Aufgabenteilung zwischen Hardware und Systemsoftware bei der Unterbrechungsbearbeitung.

• unterscheiden die verschiedenen Typen von Kontrollflüssen in einem Betriebssystem anhand des Ebenenmodells.

• unterscheiden harte, mehrstufige, und weiche Verfahren zur Unterbrechungssynchronisation in Betriebssystemen und können diese für ein Mehrkernsystem implementieren.

• klassifizieren konkrete Konkurrenzsituationen anhand des Ebenenmodels und leiten daraus geeignete Synchronisationsmaßnahmen ab.
  

• schildern die IA32-Architektur und gängige PC-Technologie und deren Schnittstellen zur Systemsoftware.
  

• erläutern grundlegende Bausteine für die Implementierung von Quasi-Parallelität (Fortsetzungen, Koroutinen, Fäden) und grenzen diese gegeneinander ab.

• erläutern die Interaktionen zwischen Hardware, Übersetzer und Systemsoftware, die dabei zu beachten sind.

• entwickeln den Koroutinenwechsel für einen gegebene Architektur.

• erläutern die Implikationen von Quasi-Parallität auf das Ebenenmodell und die daraus abgeleiteten Synchronisationsmaßnahmen.

• beschreiben die Implementierung von (verdrängendem) Scheduling in einem Betriebssystem.

• analysieren das Zusammenspiel von Scheduling und Unterbrechungssynchronisation.

• nennen Kriterien und Dimensionen des Schedulings von Betriebsmitteln, insbesondere der CPU.

• erläutern die konkrete Umsetzung am Beispiel der Scheduler in Linux und Windows.

• unterscheiden grundlegende Möglichkeiten der Koordinierung und Synchronisation von Fäden (aktives/passives Warten, nichtverdrängbare kritische Abschnitte).

• entwickeln Mechanismen für die Synchronisation auf Fadenebene für Mehrkernsystemen.

• erklären die dabei zu beachtenden Synchronisationsprobleme (lost update, lost wakeup) und geeignete Gegenmaßnahmen.
  

• interpretieren die Bedeutung von Gerätetreibern in der Betriebssystempraxis.

• erläutern die Anforderungen an ein Treibermodell.

• vergleichen die Umsetzung von Treibermodellen in Windows und Linux.
  

• vergleichen grundlegende BS-Architekturen (Bibliothek, Monolith, Mikrokern, Exokern, Hypervisor) anhand fundamentaler Charakteristika (Robustheit, Performanz, Portierbarkeit) und Mechanismen.
  

• schildern die grundlegenden Paradigmen zur Interprozesskommunikation in Betriebssystemen (speicherbasiert vs. nachrichtenbasiert).

• erläutern die grundlegenden Primitiven dieser Verfahren.

• skizzieren, wie unter Anwendung dieser Primitiven höhere Synchronisationskonstrukte implementiert werden (Monitore, Leser-/Schreiber-Sperre).

• illustrieren die Dualität der Paradigmen.
  

• erschließen sich typische Probleme (Nebenläufigkeit, Compilerverhalten, Debuggen ohne dedizierte Hilfsmittel) und Fehlerquellen bei der hardwarenahen Softwareentwicklung für Mehrkernsysteme.

• können in Kleingruppen kooperativ arbeiten.

• können die ihre Entwurfs- und Implementierungsentscheidungen kompakt präsentieren und argumentativ vertreten.

• reflektieren ihre Entscheidungen kritisch und leiten Alternativen ab.

• können offen und konstruktiv mit Schwachpunkten und Irrwegen umgehen.

Literatur:

• Avi Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne. Operating System Concepts. John Wiley & Sons.

• Andrew S. Tanenbaum. Modern Operating Systems. Pearson.

• William Stallings. Operating Systems: Internals and Design Principles. Prentice Hall.

• Andrew S. Tanenbaum. Structured Computer Organization. Pearson.

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Informatik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2022w | TechFak | Informatik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtbereich (Wahlpflichtmodule aus mind. 2 Vertiefungsrichtungen) | Vertiefungsrichtung Verteilte Systeme und Betriebssysteme | Betriebssysteme (Vorlesung mit erweiterten Übungen))

Studien-/Prüfungsleistungen:

Betriebssysteme (Vorlesung mit erweiterten Übungen) (Prüfungsnummer: 820947)

Prüfungsleistung, mehrteilige Prüfung, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Erfolgreiche Bearbeitung aller während des Semesters gestellten Übungsaufgaben (6 Programmieraufgaben, Bewertung jeweils mit "ausreichend") + 30-minütige mündliche Prüfung am Ende des Semesters. Die Modulnote ergibt sich zu 100% aus der Bewertung der mündlichen Prüfung.

Prüfungssprache: Deutsch

Erstablegung: WS 2022/2023, 1. Wdh.: SS 2023

1. Prüfer:

Volkmar Sieh