Lösungen ohne diese Angaben können niht gewertet werden

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Systemsoftware (SYS)

Betriebssysteme-orientierter Teil

1. Juli 2008

Name:

Vorname:

Matrikelnummer:

Studiengang:

Hinweise:

• ^T^ragen^Sie^zuerst^auf^allen^Blättern(einshlieÿlihdesDekblattes)IhrenNamen, Ihren Vornamen und Ihre Matrikelnummer ein. Lösungen ohne diese Angaben

können niht gewertet werden.

• ^Shreiben ^Sie^die ^Lösungen ^jeder ^T^eilaufgabe ^auf ^das ^jeweils vorbereitete Blatt.

Siekönnen auh die leeren Blätter amEnde der Heftungnutzen. In diesem Fall

isteinVerweis notwendig. Eigenes Papier darf niht verwendetwerden.

• ^Legen^Sie^bitte ^Ihren Lihtbildausweis und Ihren Studentenausweis bereit.

• ^Als Hilfsmittel sind ein selbstständig, doppelseitig beshriebenes DIN-A4-Blatt undTashenrehnerzugelassen.

• ^Mit^Bleistift^oder^Rotstift geshriebene Ergebnisse werdenniht gewertet.

• ^DieBearbeitungszeitdiesesTeilsderAbshlussklausur beträgt 60Minuten.

• ^Stellen ^Sie^siher, ^dass ^Ihr Mobiltelefon ausgeshaltet ist. Klingelnde Mobiltele- fone werden als Täushungsversuh angesehen und der/die entsprehende Stu-

dent/in wirdvon derweiterenTeilnahme an derKlausur ausgeshlossen!

Bewertung:

1) 2) 3) 4) 5a) 5b) 5) Σ ^Note

(2)

Aufgabe 1 (2+2+2 Punkte) Beschreiben Sie die Merkmale von:

a) Stapelbetrieb b) Dialogbetrieb c) Echtzeitbetrieb

Aufgabe 2 (3 Punkte)

Beim Aufbau von Betriebssystemen unterscheidet man die KernelarchitekturenMonolithischer Kernel,Mi- nimaler Kern (Mikrokernel) und Hybridkernel (Makrokernel). Beschreiben Sie die Merkmale dieser drei Kernelarchitekturen. Worin unterscheiden sich diese Kernelarchitekturen und was sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Kernelarchitekturen?

Aufgabe 3 (3+1 Punkte)

a) Was versteht man bei Festplatten unterBl¨ocken,SpurenundZylindern?

b) Warum kann dieGeschwindigkeit(insbesondere die Zugriffszeiten) beiFestplatten nicht beliebig ge- steigert werden?

Aufgabe 4 (1+2+1+3 Punkte)

a) Was versteht man untervirtuellem Speicher?

b) Warum existiert des Konzept des virtuellen Speichers? Was sind die Vorteile seiner Existenz?

c) Bei der Arbeit mit virtuellem Speicher ist eine Komponente innerhalb der CPU notwendig. Welche Kom- ponente ist das und was ist ihre Aufgabe?

d) Nennen Sie die beiden unterschiedlichen Konzepte von virtuellem Speicher und erkl¨aren Sie in wenigen S¨atzen die Unterschiede, Vor- und Nachteile.

Aufgabe 5 (10+10+10 Punkte)

Auf einem Einprozessorrechner sollen sechs Prozesse verarbeitet werden.

Prozess CPU-Laufzeit (ms) Ankunftszeit

A 10 0

B 8 4

C 2 6

D 5 11

E 4 13

F 1 15

a) Skizzieren Sie die Ausf¨uhrungsreihenfolge der Prozesse mit einem Gantt-Diagramm (Zeitleiste) f¨urFirst Come First Served (FCFS), Shortest Job First (SJF), Longest Job First (LJF), Shortest Re- maining Time First(SRTF) undLongest Remaining Time First(LRTF).

b) Berechnen Sie die mittleren Laufzeiten der Prozesse.

c) Berechnen Sie die mittleren Wartezeiten der Prozesse.

(3)

Aufgabe 1) Punkte: .....................

a) BeiStapelbetriebistdieVerarbeitungübliherweiseeineinteraktionsloseAusführung

einerFolgevonJobs.NahdemStarteinesJobswirderbiszumEndeoderAuftreten

eines Fehlers ohne Interaktion mitdem Benutzer abgearbeitet. Stapelbetrieb eignet

sih gut zur Ausführung von Routineauftragen.

b) Bei Dialogbetrieb können mehrere Benutzer an einem Computer gleihzeitig, kon-

kurrierend,arbeiten.JederBenutzerglaubt,dass erdiegesamtenRehenleistungder

CPU für sih alleine hat. Die Verteilung der Rehenzeit geshieht mit Zeitsheiben

und kann nah untershiedlihen Strategien erfolgen.

) EhtzeitbetriebssystemesindMultitasking-BetriebssystememitzusätzlihenEhtzeit-

Funktionen für die Einhaltung von Zeitbedingungen und die Vorhersagbarkeit des

Prozessverhaltens. Alle Programme sind ständig betriebsbereit und Ergebnisse ste-

hen in einer vorgegebenen Zeitspanne zur Verfügung. Wesentlihes Kriteriem von

Ehtzeitbetriebssystemen ist die Reaktionszeit. Zwei Arten von Ehtzeitbetriebssy-

stemenwerdenuntershieden:

• ^Harte Ehtzeitsysteme

• ^Weihe Ehtzeitsysteme

(4)

DieKernelarhitekturenuntersheidensihdarin,obdieFunktionen,diesiedemBenutzer

und seinen Applikationen anbieten, im Kernel enthalten sind, oder sih auÿerhalb des

Kernels alsDienste (Server) benden.

Mikrokernel Hybridkernel

Dienste

(Server) Anwendungen

Dienste (Server) Anwendungen

Dienste (Server)

Monolithischer Kernel

Anwendungen

• Monolithishe Kernelhaben imeinfahstenFallkeine geordneteStruktur.Siebe- stehenaus Funktionen,diesihbeliebiggegenseitigaufrufen undbeliebigaufinterne

Daten zugreifen können.

Vorteile:Höhere Geshwindigkeit

Nahteile:Hoher Entwiklungsaufwand für Erweiterungen

• ^In Mikrokerneln sind nur die notwendigsten Funktionen zur Speiher- und Pro- zessverwaltung, Synhronisation und Prozesskommunikation. Die Gerätetreiberund

Dienste (Server), benden sih auÿerhalb des Kernels aufBenutzererebene.

Vorteile:GeringerEntwiklungsaufwand für Erweiterungen

Nahteile:Shlehtere Performane

• HybridkernelsindeinKompromisszwishenmonolithishenKernelnundMikroker- neln. Sie basieren auf dem Konzept der Mikrokernel, enthalten aber aus Geshwin-

digkeitsgründen einige Komponenten, die bei Mikrokerneln auÿerhalb des Kernels

liegen.

Vorteile:HöhereGeshwindigkeitalsMikrokernel und höhereStabilitätalsmonoli-

thishe Kernel

(5)

Aufgabe 3) Punkte: .....................

a)

• ^Die Magnetisierung der Sheiben wird auf kreisförmigen, konzentrishen Spu- ren (traks) vonden Köpfen auf beiden Seiten aufgetragen.

• ^Alle ^gleihen,^alsoübereinanderbendlihenSpuren dereinzelnen Plattenober- ähen bezeihnet man als Zylinder (ylinder).

• ^Die ^Spuren ^werden ⁱⁿ ^kleine ^logishe ^Einheiten (Kreissegmente) unterteilt, die man Blöke oder Sektoren nennt. Typisherweise enthält einBlok 512 Byte

Nutzdaten. Blöke sind die kleinsten adressierbaren Einheiten auf Festplatten.

Müssen Daten in einem Blok geändert werden, muss der ganze Blok gelesen

und neu geshrieben werden.

b) Der Grundfür die geringere Zugrisgeshwindigkeitist,dass Festplatten meha-

nishe Geräte sind, die eine oder mehrere mit 4200, 5400, 7200, 10800 oder 15000

Umdrehungen pro Minute rotierende Sheiben enthalten. DieRotationsgeshwindig-

keit der Sheiben noh weiter zu steigern ist sehr aufwendig und niht unbegrenzt

möglih.

(6)

a) DervirtuelleSpeiheristder vomtatsählihvorhandenenArbeitsspeiherunabhän-

gigeAdressraum,deneinProzessfürseinenProgrammodeundDatenvomBetriebs-

system zur Verfügung gestelltbekommt.

b) DankvirtuellemSpeiherwirdderHauptspeiherbesserausgenutzt,denndieProzes-

se müssen niht am Stük im Hauptspeiher liegen. Aus diesem Grund ist dieFrag-

mentierung des Hauptspeihers kein Problem. Durh den virtuellen Speiher kann

auhvielmehr Speiherangesprohen undverwendet werdenalsphysish imSystem

vorhanden ist.Können niht alleSeiten des virtuellenSpeihers auf dieRahmen im

Hauptspeiher abgebildet werden, weil niht genügend Speiherplatz im Hauptspei-

her freiist,müssen Datenauf einenanderen Speiherwie dieFestplatte ausgelagert

werden.Diesen Vorgangdes Auslagerns, der auhalsSwappingbezeihnet wird,un-

terstützen praktish alle modernen Betriebssysteme. Das Swapping geshieht, ohne

dass dieBenutzer oder Prozesse etwas davonmitbekommen.

) DieMemoryManagement Unit(MMU)inderCPUrehnetdievirtuellenAdres-

sen in reale Speiheradressen um. Die Memory Management Unit ist damit für die

Adressumwandlung zuständig.

d) Bei der Organisation des virtuellenSpeihers gibt eszwei Ansätze:

• SegmentorientierterSpeiher. Hierbestehtder virtuelleSpeihereinesPro- zesses aus vielenEinheiten untershiedliher Länge.DieAufteilungerfolgtnah

logishen Gesihtspunkten. Virtuelle Adressen (Segmentnummern) werden mit

Hilfe der Segmenttabellein realeAdressen umgerehnet.Jeder Prozesshat eine

Segmenttabelle. Virtuelle Speihereinheiten sind somit geshützt, können aber

auh nah Bedarf geteilt werden. Für jedes virtuelle Speihersegment wird ein

zusammenhängenderrealerSpeiherbereihgleiherLängegebrauht.Durhdie

Segmente untershiedliher Länge kommt es durh den Vershnitt zu erhöhtem

Auslagerungebedarfund Speihervershwendung.

• SeitenorientierterSpeiher. HierhabenallevirtuellenSpeihereinheitendie gleihe Gröÿe,wasdieSpeiherverwaltungerheblihvereinfaht.Währendbeim

segmentorientierten Speiher für jeden Prozess eine eigene Segmenttabelle exi-

stiert,wirdbeimseitenorientiertenSpeihernureineSeitentabellebenötigt.Der

virtuelleSpeiheristinSegmentegleiherLänge,dieSeitenunterteilt.Während

es beim segmentorientiertem Speiher internen und externen Vershnitt gibt,

(7)

Aufgabe 5) Punkte: .....................

a)

(8)

b) Laufzeit (Turnaround Time)der Prozesse

A B C D E F

First ComeFirst Served 10 14 14 14 16 15

LongestJob First 10 14 23 12 14 15

Shortest JobFirst 10 26 6 6 9 3

LongestRemainingTime First 19 25 22 15 10 15

Shortest RemainingTime First 12 26 2 7 9 1

First Come FirstServed

10+14+14+14+16+15

6 = 13,83 ms

Longest JobFirst

10+14+23+12+14+15

6 = 14,6 ms

Shortest Job First

10+26+6+6+9+3

6 = 10ms

Longest RemainingTime First

19+25+22+15+10+15

6 = 17

,6 ms

Shortest Remaining TimeFirst

12+26+2+7+9+1

6 = 9

,5ms

) Wartezeit der Prozesse Zeit in der bereit-Liste

A B C D E F

First ComeFirst Served 0 6 12 9 12 14

LongestJob First 0 6 21 7 10 14

Shortest Job First 0 18 4 1 5 2

LongestRemainingTime First 9 17 20 10 6 14

Shortest RemainingTime First 2 18 0 2 5 0

First ComeFirst Served

0+6+12+9+12+14

6 = 8

,83ms

Longest JobFirst

0+6+21+7+10+14

6 = 9,67ms

Shortest Job First

0+18+4+1+5+2

6 = 5 ms

Longest RemainingTimeFirst

9+17+20+10+6+14

6 = 12,6 ms

Shortest RemainingTime First

2+18+0+2+5+0

6 = 4,5ms