Betriebssysteme: Konzepte, Hardware und Software

Kapitel 1 – Übersicht

1. Wie würden Sie einen Computer ohne Betriebssystem verwenden? Was sind seine beiden wichtigsten Funktionen?

Ohne das Betriebssystem müsste ein Benutzer, um mit dem Computer zu interagieren, detaillierte Kenntnisse der Hardware-Ausstattung haben, was die Arbeit langsam und fehleranfällig machen würde. Die zwei Hauptmerkmale sind einfacher Zugriff auf Systemressourcen und Ressourcen-Sharing in organisierter und geschützter Weise.

2. Erklären Sie das Konzept der virtuellen Maschine. Was ist der große Vorteil bei diesem Konzept?

Der Computer kann in Schichten betrachtet werden, wobei es mindestens zwei Schichten gibt: Hardware (Ebene 0) und Betriebssystem (Ebene 1). Der Benutzer sieht die Maschine nur als das Betriebssystem, d.h., als ob die Hardware nicht vorhanden wäre. Diese Ansicht wird als modulare und abstrakte virtuelle Maschine bezeichnet. Der Vorteil dieses Konzeptes ist, die Interaktion zwischen Benutzer und Computer effizienter, einfacher und zuverlässiger zu gestalten.

3. Definieren Sie den Begriff einer Vielzahl von Ebenen oder Schichten.

Der Computer kann als eine Maschine mit mehreren Ebenen betrachtet werden, wobei so viele Ebenen vorhanden sind, wie für die Anwendungen des Benutzers notwendig sind. Der Benutzer muss die Existenz der anderen Schichten nicht kennen. Dadurch wird die Interaktion zwischen Benutzer und Computer einfach, zuverlässig und effizient.

4. Welche Arten von Betriebssystemen gibt es?

Monoprogramm-Systeme, Multiprogramm- oder Multitasking-Systeme und Multiprozessor-Systeme.

5. Warum sagen wir, dass es zu einer Unterauslastung der Ressourcen in Systemen monoprogamáveis kommt?

Weil in Monoprogramm-Systemen nur ein Programm gleichzeitig ausgeführt werden kann. Wenn ein Programm nicht alle Funktionen des Systems voll ausschöpft, kommt es zu Leerlaufzeiten und folglich zur Unterauslastung einiger Ressourcen.

6. Was ist der große Unterschied zwischen den Systemen monoprogramáveis und Systemen multiprogramáveis?

Monoprogramm-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass Prozessor, Speicher und Peripheriegeräte ausschließlich einem einzigen laufenden Programm zur Verfügung stehen. In Multiprogramm- oder Multitasking-Systemen werden die Rechenressourcen zwischen verschiedenen Benutzern und Anwendungen gemeinsam genutzt. Während in Monoprogramm-Systemen nur ein Programm die verfügbaren Ressourcen nutzt, teilen sich in Multiprogramm-Systemen mehrere Anwendungen diese Ressourcen.

7. Was sind die Vorteile von Systemen multiprogramáveis?

Die Vorteile der Verwendung von Multiprogramm-Systemen sind die Reduzierung der Reaktionszeit von Anwendungen und die Kosteneinsparungen durch die gemeinsame Nutzung von Systemressourcen zwischen mehreren Anwendungen.

8. Kann ein Single-User-System ein System multiprogramável sein? Geben Sie ein Beispiel.

Ja, ein Benutzer kann mit dem System interagieren und mehrere Anwendungen gleichzeitig ausführen. Das Windows NT-System ist ein Beispiel.

9. Welche Arten von Systemen multiprogramáveis gibt es?

Batch-Systeme, Time-Sharing-Systeme und Echtzeit-Systeme.

10. Die Besonderheit der Batch-Verarbeitung? Welche Anwendungen können in einer solchen Umgebung verarbeitet werden?

Die Batch-Verarbeitung zeichnet sich dadurch aus, dass keine Interaktion des Benutzers mit der Anwendung erforderlich ist. Alle Ein- und Ausgaben der Anwendung werden über sekundäre Speicher implementiert, typischerweise Dateien auf der Festplatte. Einige Beispiele für Anwendungen, die ursprünglich in Batch-Programmen verarbeitet wurden, sind numerische Berechnungen, Compilations, Verordnungen, Backups und all jene, bei denen keine Interaktion mit dem Benutzer erforderlich ist.

11. Wie funktionieren Time-Sharing-Systeme? Was sind die Vorteile der Verwendung von ihnen?

Time-Sharing-Systeme (Zeitmultiplexsysteme) ermöglichen es, mehrere Programme durch Aufteilung der Prozessorzeit in kleine Intervalle, sogenannte Zeitschlitze (Time-Slice), auszuführen. Der Vorteil ihrer Nutzung besteht darin, dass jeder Benutzer den Eindruck hat, dass das gesamte System ihm exklusiv zur Verfügung steht.

12. Was ist der große Unterschied zwischen Time-Sharing-Systemen und Echtzeit-Systemen? Welche Anwendungen sind geeignet für Echtzeit-Systeme?

Der entscheidende Faktor ist die Reaktionszeit. In Echtzeit-Systemen müssen die Antwortzeiten innerhalb strenger Grenzen liegen. Prozesssteuerungsanwendungen wie die Überwachung von Ölraffinerien, die Flugsicherung und Kernkraftwerke werden in Echtzeit-Systemen ausgeführt.

13. Was sind Systeme mit mehreren Prozessoren und was die Vorteile der Verwendung von ihnen?

Systeme mit mehreren Prozessoren zeichnen sich dadurch aus, dass zwei oder mehr CPUs verbunden sind und zusammenarbeiten. Der Vorteil dieser Art von System ist, dass mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden können oder dass dasselbe Programm in mehrere Teile aufgeteilt wird, um gleichzeitig in mehr als einem Prozessor zu laufen.

14. Was ist der große Unterschied zwischen eng gekoppelten Systemen und lose gekoppelten?

Eng gekoppelte Systeme verwenden mehrere Prozessoren, die sich einen einzigen physischen Speicher und Geräte für Input/Output teilen und von einem einzigen Betriebssystem verwaltet werden. Lose gekoppelte Systeme bestehen aus zwei oder mehr Computersystemen, die über Kommunikationsleitungen verbunden sind. Jedes System arbeitet unabhängig, mit eigenem Betriebssystem und der Verwaltung Ihrer eigenen Ressourcen wie CPU, Speicher und Input/Output.

15. Was ist ein SMP-System? Was ist der Unterschied für einen NUMA-System?

In SMP-Systemen ist die Zugriffszeit auf den Hauptspeicher von mehreren Prozessoren aus einheitlich. In NUMA-Systemen gibt es mehrere Gruppen von miteinander verbundenen Prozessoren und Hauptspeichern, wobei die Zugriffszeit auf den Hauptspeicher von ihrem physischen Standort abhängt.

16. Was ist ein lose gekoppelten System? Was ist der Unterschied zwischen den Betriebssystemen und Netzwerk- verteilte Betriebssysteme?

Lose gekoppelte Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass zwei oder mehr Computer über Kommunikationsleitungen verbunden sind. Jedes System arbeitet unabhängig, mit eigenem Betriebssystem und der Verwaltung ihrer eigenen Ressourcen wie CPU, Speicher und Input/Output. Netzwerkbetriebssysteme ermöglichen es einem Host, seine Ressourcen, wie z. B. einen Drucker oder ein Verzeichnis, mit anderen Netzwerk-Hosts zu teilen, während verteilte Systeme die Details der einzelnen Hosts verbergen und sie als eine Einheit behandeln, wie ein eng gekoppeltes System.

Kapitel 2 – Konzepte von Hardware und Software

1. Was sind die funktionellen Einheiten eines EDV-Systems?

Prozessor oder CPU, Hauptspeicher und Geräte Input/Output.

2. Was sind die Komponenten eines Prozessors und was sind ihre Aufgaben?

Ein Prozessor besteht aus Steuereinheit, Rechenwerk und Registern. Das Steuergerät (UC) ist zuständig für die Verwaltung der Tätigkeiten aller Komponenten des Computers, wie das Schreiben von Daten auf Disketten oder Anweisungen im Speicher. Die Recheneinheit (ALU) ist, wie der Name schon sagt, verantwortlich für die Durchführung von logischen Operationen (Vergleiche und Tests) und Rechnen (Addition und Subtraktion).

3. Als Hauptspeicher eines Rechners ist organisiert?

Der Speicherzugriff ist in Einheiten zusammengesetzt, die als Zellen bezeichnet werden, wobei jede Zelle eine bestimmte Anzahl von Bits enthält. Derzeit nutzen die überwiegende Mehrheit der Computer die Byte (8 Bit) als Größe der Zellen.

4. Beschreiben Sie die Zyklen von Lesen und Schreiben aus dem Hauptspeicher.

Im Lesezyklus speichert die CPU die Zelladresse im MAR und erzeugt ein Steuersignal für den Hauptspeicher, das angibt, dass ein Lesevorgang durchgeführt werden soll. Der Inhalt der Zelle, die durch die Adresse im MAR identifiziert wird, wird in den MBR übertragen.

Im Schreibzyklus speichert die CPU die Zelladresse im MAR, in der die Informationen gespeichert werden sollen, und die Informationen, die aufgezeichnet werden sollen, im MBR. Die CPU erzeugt ein Steuersignal an den Hauptspeicher, das angibt, dass ein Schreibvorgang durchgeführt werden muss, und die Informationen im MBR werden in die Speicherzelle übertragen, die von der SEA adressiert wird.

5. Was ist die maximale Anzahl von Zellen in Architekturen mit SEA, 16, 32 und 64 gerichtet-Bit?

MAR = 16-Bit-Zahl max = 2¹⁶ Zellen
MAR = 32-Bit-Zahl max = 2³² Zellen
MAR = 64-Bit-Zahl max = 2⁶⁴ Zellen

6. Was sind flüchtige Speicher und non-volatile?

Flüchtiger Speicher muss immer mit Spannung versorgt werden, damit seine Daten nicht verloren gehen, im Gegensatz zu nichtflüchtigem Speicher.

7. Konzeptualisieren Cache und eine Erläuterung der wichtigsten Vorteile in der Anwendung.

Cache-Speicher ist ein flüchtiger Speicher hoher Geschwindigkeit, aber mit geringer Speicherkapazität. Der Zugriff auf darin enthaltene Daten ist wesentlich schneller, als wenn sie im Hauptspeicher wären. Der Zweck des Einsatzes von Caches ist, die Diskrepanz zwischen der Geschwindigkeit, mit der der Prozessor Anweisungen ausführt, und der Geschwindigkeit, mit der auf Daten im Hauptspeicher zugegriffen wird, zu minimieren.

8. Was sind die Unterschiede zwischen Hauptspeicher und sekundären Speicher?

Der Hauptspeicher ist ein Speichergerät, in der Regel flüchtig, in dem Daten und Anweisungen gespeichert werden, die vom Prozessor während der Programmausführung verwendet werden. Der sekundäre Speicher ist ein nichtflüchtiges Gerät mit größerer Speicherkapazität, aber mit langsamerem Zugriff auf Ihre gespeicherten Daten.

9. Differenzieren Sie die Grundfunktionen der Geräte I / O

Die Input- und Output-Geräte können in zwei Kategorien eingeteilt werden: diejenigen, die als sekundärer Speicher verwendet werden, und diejenigen, die für die Anwender-Maschine-Schnittstelle dienen. Geräte, die als sekundärer Speicher verwendet werden (Disketten und Bänder), zeichnen sich durch eine größere Speicherkapazität als der Hauptspeicher aus. Seine Kosten sind relativ niedrig, aber die Zugriffszeit auf sekundäre Speicher liegt deutlich über dem Hauptspeicher. Andere Geräte sind für die Anwender-Maschine-Kommunikation gedacht, z. B. Tastaturen, Monitore, Video-, Drucker und Plotter.

10. Mit dem Prozessor-Speicher-Busse, I / O und Backplane.

Die Prozessor-Speicher-Busse sind von kurzer Dauer und hoher Geschwindigkeit, so dass der Transfer für den Informationsaustausch zwischen den Prozessoren und dem Speicher optimiert ist. Der Bus I/O hat einen größeren Umfang, ist langsamer und erlaubt den Anschluss verschiedener Geräte. Der Backplane-Bus hat die Aufgabe der Integration der beiden vorherigen Busse.

Architecture Operating Systems - 3rd Edition - M / Maia

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Lösungen zu den Übungsaufgaben - Autoren - Version 3.1 (Jan/2004)

11. Da die Technik des Pipelining verbessert die Leistung von Computer-Systemen?

Dadurch, dass der Prozessor mehrere Instruktionen parallel in verschiedenen Stufen ausführen kann.

12. Vergleichen Sie die Prozessor-Architekturen RISC und CISC.

Siehe Tabelle 2.3 des Buches.

13. Konzeptualisieren die Technik des Benchmarking und wie ihre Leistung.

Die Technik, bekannt als Benchmark, ermöglicht die Analyse der vergleichenden Leistung zwischen Computer-Systemen. Bei dieser Methode wird eine Reihe von Programmen auf jedem System ausgeführt und die Laufzeit verglichen. Die Wahl der Programme muss vorsichtig sein, um die verschiedenen Arten der Anwendung wiederzugeben.

14. Warum den Objekt-Code durch den Übersetzer generiert nicht am laufen?

Dies geschieht, weil ein Programm externe Unterprogramme aufrufen kann, und in diesem Fall hat der Übersetzer keine Möglichkeit, das Hauptprogramm mit den Unterprogrammaufrufen zu verknüpfen. Diese Funktion wird vom Linker durchgeführt.

15. Für die Ausführung von Programmen ausgelegt ist langsamer als kompilierte Programme?

Da die Generierung von ausführbarem Code erfolgt, müssen die Anweisungen eines Programms jedes Mal übersetzt werden, wenn es ausgeführt wird.

16. Was sind die Funktionen der Linker?

Seine primären Aufgaben sind, alle symbolischen Verweise zwischen den Modulen eines Programms aufzulösen und Speicher für die Ausführung zu reservieren.

17. Was ist die wichtigste Funktion des Laders?

Laden eines Programms in den Hauptspeicher, um es auszuführen.

18. Was sind die Einrichtungen, die vom Debugger angeboten?

Der Debugger bietet dem Anwender Funktionen wie die Überwachung der Umsetzung eines Programms Befehl für Befehl; ermöglichen die Änderung und die Inhalte der Variablen, Umsetzung Haltepunkte innerhalb des Programms (Breakpoint), so dass während der Ausführung das Programm an diesen Punkten stoppt, und zu präzisieren, dass, wenn die Inhalt einer Variable geändert wird, sendet das Programm eine Nachricht (Watchpoint).

19. Andere Befehle verfügbar in den Sprachen Kontrolle von Betriebssystemen.

Suchen Sie nach freien.

20. Erläutern Sie den Prozess der Aktivierung (Booten) des Betriebssystems.

Anfangs befindet sich der gesamte Betriebssystem-Code im sekundären Speicher, wie Festplatten und Bändern. Immer wenn ein Computer eingeschaltet wird, muss das Betriebssystem vom sekundären Speicher in den Hauptspeicher geladen werden. Dieses Verfahren wird durch einen Programmblock durchgeführt, der sich auf einem bestimmten Block der Festplatte befindet (Boot).