ETH Zurich - Computer Science - Native Systems Group J. Gutknecht

Jeweils nach den Vorlesungsstunden wird hier das aktualisierte Skript im PDF-Format erscheinen. Die aktuellen Übungsblätter erscheinen auch hier, sobald sie in der Übung ausgeteilt wurden. Lösungsskizzen (keine ausführlichen Lösungen!) zu den Aufgaben werden hier bereit gestellt, jeweils nach der Mittwochsübung.

Es gibt zu jeder Woche auch die kommentierten Folien -- ohne Anspruch auf Vollständigkeit und sprachliche Eleganz der Kommentare. Die Folien auf den kommentierten Seiten sind leider gepixelt. Dies ist ein neues Problem von PowerPoint2007, zu dem es anscheinend keine schnelle Lösung gibt. Für Hinweise bin ich dankbar.

Woche	Folien Mittwoch	Folien Freitag	Komm. Folien	Übungsblatt	Problems	Lösung (Skizze)	Slides Übungsstunde
1.	18.2.	20.2.	090220	---	---	---	---
2.	25.2.	27.2.	090227	uebung01	problems01	loesung01	slides01
3.	4.3.	6.3.	090306	uebung02	problems02	loesung02	slides02
4.	11.3.	13.3.	090313	uebung03	problems03	loesung03	slides03,SSFS
5.	18.3.	20.3.	090320	uebung04	problems04	loesung04	slides04
6.	25.3.	27.3.	090327	uebung05	problems05	loesung05	slides05,slides05s, CSR
7.	1.4.	3.4. Addendum*	090403	uebung06	problems06	loesung06	slides06p
8.	8.4.	[10.4.]	090408	uebung07	problems07	loesung07	slides07p
9.	[15.4.]	[17.4.]	---	---	---	---	---
10.	22.4.	24.4.	090424	---	---	---	---
11.	29.4.**	[1.5.]	090429	uebung08	problems08	loesung08	slides08
12.	6.5.	8.5.	090508	uebung09	problems09	loesung09	slides09
13.	13.5.	15.5.	090515	uebung10	problems10	loesung10
14.	20.5.	22.5.	090522	uebung11	problems11	loesung11
15.	27.5.	29.5.	090529	-	-	-	-
alle	folien	Rückblick	kommentiert	Zur Pruefung

*Addendum nicht gelesen: zusätzliche Information ** Animation zu den Signal/Wait Implementationen: AVI, WMV

Bemerkungen und weiterführende Links zu den Vorlesungsstunden

Datum	Bemerkungen / Links
18.2.2009	Administratives, Übersicht, Literatur und Einleitung
20.2.2009	Bootstrapping und Partitionen Quellen im Internet: BIOS, BIOS Int13, Real Mode, UEFI Forum, CHS vs LBA, EBR, MBR, GUID Partition Table
25.2.2009	Bootmanager und Beispiele zum Bootstrapping Zum (Multi-)Bootlayout von Windows Vista: http://www.multibooters.co.uk/multiboot.html Zum Startup von Windows Vista: http://en.wikipedia.org/wiki/Windows_Vista_startup_process (und enthaltene Links) Booting Linux: http://proquest.safaribooksonline.com/0596005652/understandlk-APP-A Privilegien-Stufen bei Intel-Prozessoren: Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual, Volume 3A: System Programming Guide, Part 1, Kapitel 4
27.2.2009	Dateisysteme I: Aufgaben, API, Grundprinzipien Zu I-Nodes: http://de.wikipedia.org/wiki/Inode
4.3.2009	Dateisysteme II: Verzeichnisse, Links und Fallbeispiele Zum FAT Dateisystem: http://de.wikipedia.org/wiki/File_Allocation_Table Zu symbolic / soft links: http://en.wikipedia.org/wiki/Symbolic_link Zu hard links: http://de.wikipedia.org/wiki/Harter_Link
6.3.2009	Dateisysteme III: Fallbeispiele: NTFS, Unix File Systeme, ZFS, HFS+ Zum NTFS Dateisystem: http://www.pcguide.com/ref/hdd/file/ntfs/ , http://technet.microsoft.com/en-us/library/cc781134.aspx zum HFS+ Dateisystem: http://developer.apple.com/technotes/tn/tn1150.html Zum ext3-Filesystem: http://de.wikipedia.org/wiki/Ext3 Informationen zum Reiser Filesystem finden Sie hier http://en.wikipedia.org/wiki/ReiserFS oder auf der deutschen Seite http://de.wikipedia.org/wiki/ReiserFS, dort gibt es auch Links zu anderen interessanten Filesystemen wie JFS, XFS und ZFS. zum Ext4 Filesystem: http://www.scribd.com/doc/7114603/Ext4-File-System Zum ZFS: Überblicksartikel in http://de.wikipedia.org/wiki/ZFS_(Dateisystem), Demonstrationsfilm unter http://opensolaris.org/os/community/zfs/demos/basics/, Dokumentation: http://www.opensolaris.org/os/community/zfs/docs/, deutscher Übersichtsartikel: http://mediacast.sun.com/users/constant/media/LT2007OpenSolarisZFSPaper_v1.1.pdf
11.3.	Dateisysteme IV: Fehlertoleranz und Optimierungen Überblicksartikel (Blockbasierte / Extendbasierte Filesysteme, variable Blockgrößen, Logging/Journaling Filesystems) : hier.
13.3.	Dateisysteme V: Optimierungen RAID: http://de.wikipedia.org/wiki/RAID oder (etwas kürzer) http://en.wikipedia.org/wiki/Redundant_array_of_independent_disks. VFS und NFS, insbesondere das Zusammenspiel V-Node / R-Node / I-Node aus Tannenbaum, S. 798 ff. Artikel über möglichen Datenverlust bei Ext4 (als Folge der Delayed Allocation): http://www.heise.de/english/newsticker/news/134483, http://www.heise.de/newsticker/Moeglicher-Datenverlust-bei-Ext4--/meldung/134346 . Herzlichen Dank an Herrn Bänziger für den Hinweis!
	Ein- und Ausgabe: Memory Mapped I/O, Interrupts und DMA Informationen zum Schreiben von Gerätetreibern im Buch LINUX Device Drivers (3rd edition), Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, and Greg Kroah-Hartman, O'Reilly, 2005. Online verfügbar unter http://lwn.net/Kernel/LDD3/.
18.3.	Ein- und Ausgabe: Interrupts und DMA AMD System Programming Manual: http://www.amd.com/us-en/assets/content_type/white_papers_and_tech_docs/24593.pdf, Seiten 205ff
20.3.	Ein-und Ausgabe: Beispiele von Gerätetreibern. Prinzipielles zu Gerätetreibern
25.3.	Hauptspeicherverwaltung: Einprozess-Speicherlayout und -Verwaltung Zur Speicherallokation bei Linux (für diejenigen, die es ganz genau wissen möchten): http://www.informit.com/content/images/0131453483/downloads/gorman_book.pdf Hoard Memory Allocator: http://www.cs.umass.edu/%7Eemery/pubs/berger-asplos2000.pdf
27.3.	Hauptspeicherverwaltung: Garbage Collection Die beste Quelle zum Thema Garbage Collection ist das zu Anfang der Vorlesung angegebene Buch von R. Jones, R. Lins, Garbage Collection, Algorithms for Automatic Dynamic Memory Management, Wiley, 2003. (Natürlich erwarten wir von Ihnen nicht, dass Sie dieses Spezialthema eingehend studiert haben. Die nötigen Inhalte werden in der Vorlesung vermittelt. Aber das Buch ist sehr interessant). Zum Thema Garbage Collection in .Net empfehle ich den Link http://www.codeproject.com/dotnet/garbagecollection.asp.
1.4.	Hauptspeicherverwaltung: Garbage Collection (Finalizers, Weak Pointers und Drei-Farben Abstraktion) Zum Thema finalizers bei Java, cf. http://java.sun.com/javase/6/docs/api/java/lang/Object.html#finalize.
3.4.	Inkrementelle Garbage Collection und Laufzeitunterstützung für OOP
8.4.	Multi-Prozess Speicherlayout: Partitionierung, Segmentierung und Paging Dieses Thema ist in allen mir bekannten Lehrbüchern (Stallings, Tannenbaum, Silberschatz ...) ausführlich beschrieben
22.4.	Virtueller Speicher: Seitenersetzung, Seitenzuteilung Zum Thema Working Set Bestimmung und Speicherzuteilungsalgorithmen findet sich einiges in den Standard-Lehrbüchern. Siehe z.B. Stallings, Kap. 8, Tanenbaum, Kap. 4.4-4.6 oder Silberschatz Kap.9. Außerdem die einschlägigen Webseiten wie z.B. http://en.wikipedia.org/wiki/Page_replacement_algorithm.
24.4.	Prozessorenverwaltung: Parallele Architekturen, Prozesssynchronisation
29.4.	Semaphoren und Monitore zu den verschiedenen Signal And Wait Implementationen hier die Animation aus der Vorlesung: AVI, WMV
6.5.	Deadlocks Das Thema Deadlocks und eine entsprechende Formalisierung ist in den Standardlehrbüchern zu finden, z.B.: Silberschatz, Kap.7, Stallings Kap.6, Tanenbaum Kap.3
8.5.	Prozesse und Threads Literatur: Standardlehrbücher, Microsoft Windows Internals, Understanding the Linux Kernel (s.u.)
13.5.	Threads Zum Thema Prozesswechsel bei Linux (Task State Segments), siehe: Understanding the Linux Kernel, Kap3: Process Switch. Zur Hardware-Unterstützung siehe z.B. AMD Architecture Programmer's Manual, S. 33 und 106. Zum Thema Interprozesskommunikation und Signale, eignet sich Linux-bezogen auch Understanding the Linux Kernel, Kap19: Process Communication bzw. das Kapitel über Signale
15.5.	IPC und Scheduling
20.5.	Echtzeitscheduling, Betriebssystemmodelle Links: Linux Module, Exokern Betriebssystem Nemesis, Artikel über den Exokern, Artikel über Xen
22.5.	Betriebssystemmodelle, Virtuelle Maschinen Wer sich in das Thema virtuelle Maschinen genauer einlesen möchte, dem sei das Buch Jim, Jr. Smith, Ravi Nair, James E. Smith , Virtual Machines: Versatile Platforms For Systems And Processes, Publisher Morgan Kaufmann Publishers, May 2005, ISBN 1-55860-910-5 empfohlen. Im Internet gibt es auch eine Menge Artikel und Vorträge zu finden, es gestaltet sich allerdings schwierig, mehr über Interna der VMs zu erfahren. Bzgl. QEMU findet sich dazu etwas hier. Eine Beschreibung der Java VM findet sich in den (online lesbaren) Büchern auf http://java.sun.com/docs/books/jvms/. Die .NET Common Language Runtime ist unter anderem im Buch Compiling for the .NET Common Language Runtime (CLR) von John Gough beschrieben.
27.5.	Virtuelle Maschinen: Java VM und .NET CLI
29.5.	Fallstudien Zum Thema '''Linux und Windows'''. Für Linux empfiehlt sich das Buch Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition, by Daniel P. Bovet, Marco Cesati, O’Reilly 2005. Dieses können Sie in der ETH online lesen unter http://proquest.safaribooksonline.com/0596005652. Um Windows-Internals kennenzulernen empfiehlt sich das leider nur käuflich erhaltbare Buch Mark E. Russinovich, David Solomon, Microsoft Windows Internals, Fourth Edition, Microsoft Press 2005. Einen tabellarischen Vergleich zwischen Linux 2.6. und Windows Vista finden Sie unter http://widefox.pbwiki.com/. Unterhaltsame und interessante Zusatzinformationen zum Thema Linux vs. Minix und Microkernel bekommen Sie auch auf der Seite http://www.cs.vu.nl/~ast/reliable-os/ und den darin enthaltenen Links.

Allgemeines

Die Vorlesung Betriebssysteme richtet sich an Informatik Bachelor Studenten im 4. Semester. Es werden die Inhalte zum Verständnis des Aufbaus von und der Vorgänge in einem Betriebssystem vermittelt. Thema sind Betriebssysteme mit Betonung der konzeptuellen Fragestellungen und Lösungsansätze. Insbesondere werden die beiden Hauptaufgaben, nämlich Verwaltung von Ressourcen und die Laufzeitunterstützung von Programmen diskutiert.

Stichwörter: Bootvorgang, Filesysteme, Hauptspeicherverwaltung und Garbage Collection, Prozesse und Threads, Gerätetreiber, Laufzeittypenunterstützung, Virtuelle Systeme. Voraussetzung für den erfolgreichen Besuch der Vorlesung sind Programmierkenntnisse, am besten in der Systemprogrammierung.

Die Unterrichtssprache ist deutsch.

Aufzeichnung der Vorlesung

Zu dieser Vorlesung ist ein Kanal auf dem Multimedia Portal der ETH eingerichtet, Sie können die Folien als Videodateien unter http://www.podcast.ethz.ch/channels/details?id=777 (Slides-Video+Audio) herunterladen.

Termine

Vorlesung

Tag	Zeit	Ort
Mittwoch	9.15-10.00	HG E 3
Freitag	10.15-12.00	HG E 5

Übungen

Tag	Zeit	Ort	Assistent
Montag	14-16	IFW A 34	Ulrike Glavitsch
Montag	14-16	IFW B 42	Sven Stauber
Montag	14-16	CAB G57	Philipp Bönhof
Mittwoch	15-17	CAB G59	Florian Negele
Mittwoch	15-17	CAB H53	Roman Mitin

Chefassistent ist Sven Stauber.

Aus datenschutzrechtlichen Gründen veröffentliche ich keine Namen und die Zuordnung zu den Übungsgruppen. Wenn Sie vergessen haben, in welcher Gruppe Sie eingeteilt sind, so fragen Sie mich bitte (per email oder vor / nach der Vorlesung).

Übungen

Es gibt eine Übungsgruppe, die englischsprachig gehalten wird. Allgemein können Lösungen der Übunsgaufgaben sowohl englisch als auch deutsch abgegeben werden. Ansonsten ist die Vorlesungs- und Übungssprache deutsch. Übungsblätter siehe unten.

Dieses Jahr werden wir wieder praktische Übungen einführen. Dazu dient unser Betriebssystem A2 sowohl als Entwicklungs- als auch als Experimentalplattform. Weitere Informationen, insbesondere Anleitungen zu den einzelnen praktischen Übungen finden Sie

hier.

Prüfung

Die Prüfung ist (hand-)schriftlich. Prüfungsstoff ist der gesamte Stoff der Vorlesung, inklusive praktischer und theoretischer Übungen. Es sind keine Hilfsmittel zugelassen. Eine gute Voraussetzung für den Erfolg ist der regelmässige und aufmerksame Besuch von Vorlesung und Übungen.

In the exam (as well as in the exercises by the way) it is possible that you deliver your solutions in English or German. We will also hand out the problems in both, German and English. Please ask me or any of the assistants if you don't think you can manage that, in this case we shall normally be able to find a solution for other languages also, but we do expect that you contact us in advance. Language barriers should not provide a cause of frustration.

Download
Endterm 2007: Deutsch, Englisch
Endterm 2008: Deutsch, Englisch
Endterm 2009: Deutsch, Englisch
Endterm 2009(rep): Deutsch, Englisch

Literatur

Es gibt eine große Menge an Büchern über Betriebssysteme, die meisten sind (zu) ausführlich. Hier eine Auswahl:

Silberschatz, Galvin, Gagne: Operating System Concepts, 7th edition, Wiley 2005
Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, 2. überarbeitete Auflage 2004, Hanser Studienbücher
Stallings, William, Betriebssysteme, Prinzipien und Umsetzung, Prentice Hall/ Pearson Studium
Glatz, Eduard,Betriebssysteme Grundlagen, Konzepte, Systemprogrammierung, dpunkt.verlag
U. Baumgarten & H.J. Siegert, Betriebssysteme, eine Einführung, Oldenbourg Verlag

Der Vorlesungsstoff wird durch keines der Bücher genau abgedeckt. Für diejenigen, die die Vorlesung Systemprogrammierung nicht besucht haben, empfiehlt sich zur Vorbereitung oder zum Nachlesen:

R. Bryant and D. O'Halloran, Computer Systems: A Programmer's Perspective, Prentice-Hall, 2002

Stoff zu ausgewählten Themen entnehme ich unter anderem den Büchern

Russinovich and Solomon, Microsoft Windows Internals, Microsoft Press, 2005
Daniel P. Bovet, Marco Cesati, Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition, O Reilly 2005. Auch online unter http://proquest.safaribooksonline.com/0596005652
N.Wirth, J.Gutknecht, Project Oberon – The design of an operating system and compiler. Vergriffen, download unter http://www-old.oberon.ethz.ch/WirthPubl/ProjectOberon.pdf
R. Jones, R. Lins, Garbage Collection, Algorithms for Automatic Dynamic Memory Management, Wiley, 2003

Kontakt

Email: felix.friedrich(at)inf.ethz.ch

In der Woche vor der Prüfung (29.5.-5.6.) bin ich nicht erreichbar. Dann bitte Chefassistenten Sven Stauber kontaktieren.

Tel: +41 44 6328312

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