Vorwort 13

1 Einführung 15
1.1 Einordnung im Computersystem 15
1.2 Begriff und Zweck 17

2 Programme,Prozesse & Threads 19
2.1 Programmausführung und Hardware 19
-2.1.1 Rechner- und Prozessorgrundlagen 20
---2.1.8.1 Grundmodell eines Rechners 20
---2.1.8.2 Befehlsverarbeitung in der CPU 22
---2.1.8.3 Prozessoraufbau 23
---2.1.8.4 Allgemeine Prozessorregister 24
---2.1.8.5 Spezielle Prozessorregister 25
---2.1.8.6 Programmstatuswort & CPU Betriebsart 25
-2.1.9 Grundlagen Adressraum 26
---2.1.8.1 Allgemeines 26
---2.1.8.2 Adressraumtypen 27
---2.1.8.3 Byte-Reihenfolge 28
---2.1.8.4 Ausrichtungsregeln im Adressraum 29
---2.1.8.5 Adressraumbelegung durch Programme 31
---2.1.8.6 Variablenplatzierung im Adressraum 32
-2.1.9 Steuerung Programmablauf 33
---2.1.8.1 Quell- und Binärkode 33
---2.1.8.2 Programmausführung und Programmzähler (PC) 35
-2.1.9 Dynamische Daten 37
---2.1.8.1 Allgemeines 37
---2.1.8.2 Funktionsweise Stack 38
-2.1.9 Unterprogrammtechniken 41
---2.1.8.1 Allgemeines 41
---2.1.8.2 Unterprogrammaufruf und Komplettierung 42
---2.1.8.3 Formen des Unterprogrammaufrufs 45
---2.1.8.4 Parameterübergabe beim Unterprogrammaufruf 47
---2.1.8.5 Idempotente Unterprogramme 49
---2.1.8.6 Formale und aktuelle Parameter 50
---2.1.8.7 Implementierung Parameterübergabe & lokale Variablen 50
2.2 Parallele Prozesse 57
-2.2.1 Allgemeines 57
-2.2.2 Prozessdefinition 57
-2.2.3 Parallelität in einem Rechner 58
-2.2.4 Begriffe 59
2.3 Prozessmodell 61
-2.3.1 Allgemeines 61
-2.3.2 Prozesserzeugung und Terminierung 63
---2.3.8.1 Prozesstart 63
---2.3.8.2 Verzweigen (fork) 63
---2.3.8.3 Verkettung, Chain 66
---2.3.8.4 Kreieren (create) 67
---2.3.8.5 Prozessbeendung 68
-2.3.9 Prozesshierachie 68
-2.3.10 Funktionsweise der Unix Shell 69
---2.3.8.1 Ausführbare Datei starten 70
---2.3.8.2 Ausführbare Datei als Hintergrundprozess starten 70
---2.3.8.3 Ausführen von Skripts 70
-2.3.9 Anfangsparameter für Prozesse 71
-2.3.10 Prozesserzeugung unter Windows 72
-2.3.11 Vererbung unter Prozessen 73
2.4 Threads 74
-2.4.1 Allgemeines 74
-2.4.2 Thread-Modell 75
-2.4.3 Vergleich Prozesse zu Threads 76
-2.4.4 Threads unter MS Windows 77
-2.4.5 Threads unter Unix 79
-2.4.6 Implementierung des Thread-Modells 80
---2.4.8.1 Multithreading auf der Benutzerebene (user space) 80
---2.4.8.2 Multithreading auf Systemebene (kernel level) 82
---2.4.8.3 Multithreading als Hybridlösung 82
2.5 Prozessorzuteilungsstrategien 83
-2.5.1 Quasiparallelität im Einprozessorsystem 83
-2.5.2 Prozesszustände 85
-2.5.3 Zuteilungsstrategien 89
---2.5.8.1 Allgemeines 89
---2.5.8.2 Verdrängende und nicht verdrängende Strategien 89
---2.5.8.3 Kategorien von Zuteilungsalgorithmen (Übersicht) 90
---2.5.8.4 Kooperative Zuteilung (A) 91
---2.5.8.5 Zeitscheibenverfahren (B) 92
---2.5.8.6 Priorisierte Zuteilung ohne Verdrängung (C) 93
---2.5.8.7 Priorisierte Zuteilung mit Verdrängung (D) 94
-2.5.9 Liste der ablaufbereiten Prozesse 94

3 Interprozesskommunikation 97
3.1 Problem der Ressourcenteilung 98
-3.1.1 Allgemeines 98
-3.1.2 Beispiel: Problemfall "saldo" 98
-3.1.3 Lösung mit Selbstabsicherung 100
3.2 Semaphoren 102
3.3 Anwendung der Semaphoren 104
-3.3.1 Absicherung kritischer Bereiche 104
-3.3.2 Synchronisation von Prozessabläufen 105
3.4 Problem der Prioritätsumkehrung (priority inveersion) 107
3.5 Signale 109
-3.5.1 Allgemeine Signale 109
-3.5.2 Unix-Signale 110
---3.5.8.1 Grundfunktion 110
---3.5.8.2 Signalauslösung ab Kommandozeile 112
---3.5.8.3 Signalgebrauch in Programmen 112
---3.5.8.4 Probleme der klassischen signal()-Funktion 114
3.6 Weiterführende Konzepte 117
-3.6.1 Übersicht 117
-3.6.2 Kommunikation 119
---3.6.8.1 Synchronität bei der Kommunikation 119
---3.6.8.2 Datenabgrenzung bei der Kommunikation 120
3.7 Nachrichtenaustausch über Briefkästen 121
3.8 Pipes 124
-3.8.1 Allgemeines 124
-3.8.2 Pipe-Funktionen (unnamed pipe) 125
3.9 Monitor 128
3.10 Rendezvous-Prinzip 131
-3.10.1 Allgemeines 131
-3.10.2 Merkmale 131
3.11 Deadlocks, Verklemmungen 136
-3.11.1 Problemstellung 136
-3.11.2 Prozessfahrplan 137
-3.11.3 Lösungsmöglichkeit 137
-3.11.4 Theoretische Betrachtungen 140
---3.11.8.1 Begriffe 140
---3.11.8.2 Deadlock-Bedingungen 140
---3.11.8.3 Lösungsansätze und ihre Beurteilung 141

4 Ein- und Ausgabe 143
4.1 Peripherie 143
-4.1.1 Einordnung im Rechnermodell 143
-4.1.2 Begriffsdefinition 144
-4.1.3 Peripherieschnittstellen 144
4.2 Ein-/Ausgabe System 145
-4.2.1 Allgemeines 145
-4.2.2 Treiber 146
-4.2.3 Geräteverwaltung 146
-4.2.4 Treiberschnittstelle 147
-4.2.5 Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 149
---4.2.8.1 Identifikation der logischen Kanäle 149
---4.2.8.2 Art des Peripherieanschlusses 150
---4.2.8.3 Pufferung 150
---4.2.8.4 Nutzungsart 150
---4.2.8.5 Synchrone/asynchrone Ein-/Ausgabe 151
---4.2.8.6 Stream Input/Output 151
---4.2.8.7 Standardisierte E/A-Funktionen 151
4.3 Ein-/Ausgabe-Abläufe 153
-4.3.1 Programmgesteuerte Ein-/Ausgabe 153
-4.3.2 Ein-/Ausgabe mittels Programmunterbrechungen 154
---4.3.8.1 Grundprinzip des Unterbrechungssystem 154
---4.3.8.2 Unterbrechungserkennung 155
---4.3.8.3 Unterbrechungsursachen 155
---4.3.8.4 Vektorisierung 156
---4.3.8.5 Ablauf einer Programmunterbrechung 156
---4.3.8.6 Synchrone /asynchrone Unterbrechungen 158
---4.3.8.7 Maskierung
---4.3.8.8 Priorisierung 158
---4.3.8.9 Einebenen-Unterbrechungssystem 159
---4.3.8.10 Mehrebenen-Unterbrechungssystem 160
---4.3.8.11 Beispiel der Prioritäten des MC68' 000 Prozessors 161
---4.2.8.12 Externe Interrupt-Hardware 162
---4.2.8.13 Autovektoren 162
---4.2.8.14 Unterbrechungskontext 162
---4.2.8.15 Gebrauch durch Betriebssystem 164
-4.3.9 Ein-/Ausgabe mittels DMA 165
---4.3.8.1 Grundprinzip 165
---4.3.8.2 DMA-Betriebsarten 166
---4.3.8.3 DMA-Betriebsphasen 167
4.4 Massenspeicher 168
-4.4.1 Verfahren der Datenaufzeichnung 168
---4.4.8.1 Schicht "Aufzeichnungsverfahren" 169
---4.4.8.2 Schicht "Schreibverfahren" 169
---4.4.8.3 Schicht "Rahmenbildung" 170
---4.4.8.4 Schicht "Adressierung" 170
-4.4.9 Wichtigste Massenspeicher 171
-4.4.10 Plattenspeicher 172
---4.4.8.1 Aufzeichnungsgeometrie 172
---4.4.8.2 Formatierung und Initialisierung 174
---4.4.8.3 Zugriffsoptimierung 175
4.5 Benutzerinteraktion aus Systemsicht 177
-4.5.1 Allgemeines 177
-4.5.2 Systemarchitekturen 179
---4.5.8.1 Textorientierte Bedienschnittstelle 179
---4.5.8.2 Grundlage grafischer Bedienschnittstellen 180
---4.5.8.3 GUI Architektur des MS Windows 181
---4.5.8.4 GUI Architektur der Unix Systeme 182
-4.5.9 Software-Architekturen 187
---4.5.8.1 Steuermechanismen 187
---4.5.8.2 Programmiermodell von GUI Betriebssystemen 188
---4.5.8.3 Model-View-Controller Architektur 189
---4.5.8.4 Model-View-Controller Pattern 190
---4.5.8.5 Document-View Architektur 191
-4.5.9 Fallbeispiel: GUI-Programmierung unter MS Windows 191
---4.5.8.1 Verarbeitung von Benutzereingaben 191
---4.5.8.2 Ereignismeldungen (windows messages) 195
---4.5.8.3 Fenstergrundlagen 197
---4.5.8.4 Fenstererzeugung und Anzeige 198
---4.5.8.5 Meldungsübermittlung 200
---4.5.8.6 Ungarische Notation 203
---4.5.8.7 Tastaturmeldungen 204
---4.5.8.8 Fensterhierachie 205
---4.5.8.9 Fensterprozedur 206
---4.5.8.10 Objektorientierte Programmierschnittstelle 209

5 Dateisysteme 211
5.1 Allgemeines 211
5.2 Aufgaben des Dateisystems 213
5.3 Konzept des Blockspeichers 214
5.4 Fallbeispiel FAT Dateisystem 215
-5.4.1 Allgemeines 215
-5.4.2 Struktur Gesamtplatte 216
-5.4.3 Boot Block 219
-5.4.4 Aufbau der Belegungstabelle (FAT) 221
-5.4.5 Speicherineffizienz 222
-5.4.6 Verzeichnisdaten 223
-5.4.7 Lange Dateinamen (VFAT) 226
-5.4.8 Beispiel PC-Diskettenformate 228
5.5 Fallbeispiel Unix Dateisystem 229
-5.5.1 Allgemeines 229
---5.5.8.1 Aufteilung der Platte 229
---5.5.8.2 Dateihaltung und Verzeichnisorganisation 230
---5.5.8.3 Index Nodes (Inodes) 231
-5.5.9 Datei-Subsysteme 234
-5.5.10 Gemeinsame Dateinutzung 234
---5.5.8.1 Hard Links 235
---5.5.8.2 Soft (Symbolic) Links 236
5.6 Network File System (nfs) 236
5.7 Journaling File System (jfs) 238
-5.7.1 Allgemeines 238
-5.7.2 Funktionsprinzip 238
5.8 Partitionierung 240
-5.8.1 Allgemeines 240
-5.8.2 Fallbeispiel: Festplattenpartitionierung des PC 241
-5.8.3 Betriebssystem-Ladevorgang 246

6 Multiprozessorsysteme 249
6.1 Einprozessorsystem 249
-6.1.1 Von Neumann Architektur 249
-6.1.2 Harvard Architektur 251
6.2 Multiprozessorsysteme (Klassifikation nach Flynn) 252
6.3 Rechenleistung paralleler Prozessoren (Amdahl's Law) 255
-6.3.1 Konzepte von MIMD-Rechnern 259
6.4 Leistungsbewertung von Computern 260
6.5 Computersysteme mit Multiprozessoren 262
-6.5.1 Klassifikation 262
-6.5.2 Shared Memory Multiprozessoren 263
-6.5.3 Message-Passing Multicomputer 266
-6.5.4 Verteilte Systeme 267

7 Speicherverwaltung 269
7.1 Speichersystem 270
-7.1.1 Einordnung im Rechenmodell 270
-7.1.2 Grundlegende Speicherprinzipien 271
---7.1.8.1 Direkt adressierter Speicher 271
---7.1.8.2 Mehrport-Speicher 273
---7.1.8.3 Schieberegister-Speicher 273
---7.1.8.4 First In First Out-Speicher (FIFO) 274
---7.1.8.5 Stapel-Speicher 275
---7.1.8.6 Assoziativ-Speicher 275
-7.1.9 Speicherhierachie 277
---7.1.8.1 Allgemeines 277
---7.1.8.2 Lokalitätsprinzip 279
---7.1.8.3 Realisierung 280
7.2 Grundlagen der Speicherverwaltung 282
-7.2.1 Monoprogrammierung 283
-7.2.2 Multiprogrammierung mit festen Partitionen 284
---7.2.8.1 Allgemeines 284
---7.2.8.2 Modellierung 285
---7.2.8.3 Probleme 286
-7.2.9 Verfahren für knappen Speicher 287
---7.2.8.1 Overlay-Technik 288
---7.2.8.2 Swapping 288
7.3 Virtueller Speicher 292
-7.3.1 Abbildungsfunktionen 292
---7.3.8.1 Von Namen zu Adressen 292
---7.3.8.2 Notwendigkeit von Abbildungsfunktionen 293
---7.3.8.3 Grundbegriffe zu Namens-/Adressabbildungen 295
7.4 Adresstransformation 296
-7.4.1 Übersicht Speicherverwaltungsverfahren 296
-7.4.2 Adressumsetzung 297
-7.4.3 Seitentransformation 300
---7.4.8.1 Deskriptorstruktur 305
---7.4.8.2 Transformationsformel 305
---7.4.8.3 Optimierung der Seitentransformation 307
---7.4.8.4 Invertierte Seitentabelle 308
---7.4.8.5 Mehrstufige Seitentransformation 310
---7.4.8.6 Notwendigkeit der Deskriptorenpufferung in der MMU 313
---7.4.8.7 Seitenwechselverfahren (Paging) 314
---7.4.8.8 Ablauf 316
---7.4.8.9 Verwendung des Hintergrundspeichers 318
---7.4.8.10 Seitenersetzungsstrategien 319
---7.4.8.11 Gemeinsamer Speicher (shared memory) 322
---7.4.8.12 Ladeoptimierung bei Paging (copy-on-write) 322
-7.4.9 Segmenttransformation 323
---7.4.8.1 Segment-Transformation Typ A 325
---7.4.8.2 Segment-Transformation Typ B 326
---7.4.8.3 Umsetzverfahren 326
---7.4.8.4 Kombinierte Verfahren 331
7.5 Cache-Speicher 332
-7.5.1 Allgemeines 332
-7.5.2 Cache-Leistung 334
-7.5.3 Funktionsweise 334
---7.5.8.1 Vollassoziativ 337
---7.5.8.2 Einwegassoziativ 337
---7.5.8.3 Mehrwegassoziativ 339
---7.5.8.4 Virtueller und physischer Cache 341
-7.5.9 Fallbeispiel Embedded intel-486 342
-7.5.10 Cache-Strategien für Schreibzugriffe 343
---7.5.8.1 Write Through 343
---7.5.8.2 Write Back (Copy Back) 344
---7.5.8.3 Cache-Kohärenz 345
---7.5.8.4 Vergleich der Cache-Schreibstrategien 346
---7.5.8.5 Problem des Cache-Speichers 346
---7.5.8.6 Ersetzungsstrageien 347
---7.5.8.7 Einflussfaktoren auf Cache-Leistung 348

8 Programmübersetzung und Start 351
8.1 Software-Entwicklungswerkzeuge 351
-8.1.1 Ablauf der Programmübersetzung 351
-8.1.2 Kompilation 352
-8.1.3 Assemblierung 352
-8.1.4 Binden 353
-8.1.5 Übersetzung in einem Schritt 354
-8.1.6 Automatische Übersetzung 357
-8.1.7 Versionenkontrolle 359
---8.1.8.1 RCS (Revision Control System) 359
---8.1.8.2 CVS (Concurrent Version System) 361
8.2 Adressraumbelegung und Programmstart 362
-8.2.1 Storage Class 362
-8.2.2 Sections 362
-8.2.3 Programmstart 364
8.3 Relokation von Programmen 365
-8.3.1 Relokationsbedarf 365
-8.3.2 Relokationsproblem 366
-8.3.3 Relokationsvorgang 366
8.4 T-Notation 371
-8.4.1 Interpreter 371
-8.4.2 Cross Tools 372
-8.4.3 Residente Tools 373

9 Systemverwaltung mit Skripts 375
9.1 Allgemeines 375
9.2 Unix/Linux Shell Skripts 376
-9.2.1 Die Shell als Kommandointerpreter 377
-9.2.2 Die Shell als Programminterpreter 377
-9.2.3 Unix Shelltypen 377
-9.2.4 Shellbefehle 379
-9.2.5 Spezielle Befehlsausführung 382
-9.2.6 Shellvariablen 382
-9.2.7 Quoting 385
-9.2.8 Wildcards 386
-9.2.9 Ein-/Ausgabe Umleitung (I/O redirection) 386
-9.2.10 Aliases 387
-9.2.11 Functions 388
-9.2.12 Erstellung von Skripts 388
-9.2.13 Bedingte Tests (conditional tests) 389
-9.2.14 Kontrollstrukturen für Skripts 391
---9.2.8.1 if then else Struktur 392
---9.2.8.2 case Struktur 393
---9.2.8.3 for loop Struktur 394
---9.2.8.4 until loop Struktur 395
---9.2.8.5 while loop Struktur 395

10 Sicherheit 397
10.1 Allgemeines 397
10.2 Grundlagen 397
10.3 Technische Sicherheitsmassnahmen 398
-10.3.1 Zugangskontrollen 398
-10.3.2 Lösungsansätze 398
10.4 Konzept der Schutzdomänen 399
-10.4.1 Allgemeines 399
-10.4.2 Wahl der Schutzdomäne 400
-10.4.3 Datenhaltung der Schutzmatrix 401
-10.4.4 Vertrauenswürdige Systeme 402
-10.4.5 Verwaltung der Schutzmatrix 402
---10.4.8.1 Grundlagen 402
---10.4.8.2 Bell/ La Padula-Modell (1973) 403
---10.4.8.3 Biba-Modell (1977) 404
10.5 Fallbeispiel: Sicherheit unter Unix 404
-10.5.1 Benutzer- und Rechteverwaltung 404
-10.5.2 Dateiberechtigungen im Detail 405

11 Anhang 411
11.1 Masseinheit und Darstellungen 411
-11.1.1 Masseinheiten in der Informatik 411
-11.1.2 Darstellung von Bitmustern 412
-11.1.3 Oktal- und Hexadezimal-Zahlen 412
-11.1.4 Kennzeichnung der Zahlensysteme 413
-11.1.5 ASCII-Kodierung 414
-11.1.6 Rechnerinterne Zahlendarstellungen 415
---11.1.8.1 Grundlegende Datentypen 416
---11.1.8.2 Ganzzahlen 416
---11.1.8.3 Festkomma-Zahlen 417
---11.1.8.4 Gleitkomma-Zahlen 418
---11.1.8.5 Vergleich Fest- zu Gleitkomma-Darstellung 420
11.2 Instruktionssatz der intel iA32 Prozessoren 421

Literaturverzeichnis 427
Stichwortverzeichnis429