Betriebssystembau

Art der Veranstaltung: Vorlesung/Übung
Semester: Sommersemester, 2V+3Ü
Dozent/Dozent: Christian Dietrich
Prüfungsform: Mündliche Prüfung
E-Mail: christian.dietrich@tuhh.de
Vorlesungstag/Uhrzeit: Dienstag 12:15 bis 13:45 Uhr
Übungstag/Uhrzeit: Freitag 12:15 bis 14:30 Uhr
Raum/Ort: Online
StudIP-Veranstaltung: BSB
Modulzuordnung:

  • Technischer Ergänzungskurs (TEK) 6 LP
    • Master "Computer Science"
    • Master "Informatik-Ingenieurwesen"

Bei Fragen können Sie uns jederzeit eine E-Mail schreiben. Betreut wird Betriebssystembau von Christian Dietrich.

Inhalt der Vorlesung

Ziel der Vorlesung ist die Vermittlung von konzeptionellen Grundlagen und wichtigen Techniken, die für den Bau eines Betriebssystems erforderlich sind. In den vorlesungsbegleitenden Übungen werden diese Kenntnisse praktisch angewendet, indem ein kleines PC-Betriebssystem in kleinen Arbeitsgruppen von Grund auf neu entwickelt wird. Um dies zu bewerkstelligen, sind fundierte Kenntnisse über Aufbau und Funktionsweise der PC-Hardware erforderlich, die ebenfalls in der Lehrveranstaltung vermittelt werden. Dabei werden gleichzeitig Grundlagen aus dem Betriebssystembereich wie Unterbrechungen, Synchronisation und Ablaufplanung, die aus anderen Veranstaltungen weitgehend bekannt sein sollten, wiederholt und vertieft.

Die Vorlesung umfasst folgende Themen:

  • Grundlagen der Betriebssystementwicklung
  • Unterbrechungen (Hardware, Software, Synchronisation)
  • IA-32: Die 32-Bit-Intel-Architektur
  • Koroutinen und Programmfäden
  • Scheduling
  • Betriebssystem-Architekturen
  • Fadensynchronisation
  • Gerätetreiber
  • Interprozesskommunikation

Organisation und Inhalt der Übungen

Ziel der Übungen ist es, schrittweise ein kleines Betriebssystem für den PC zu entwickeln. Für die Bearbeitung der Übungsaufgaben werden Gruppen von je 2 Studierenden gebildet. Dabei gibt es zwei Varianten der Übung:

  • OOStuBS ist die klassische Uniprozessorvariante
  • MPStuBS ist die Variante für moderne Mehrkernrechner

In den Tafelübungen werden Fragen zum Stoff der Vorlesung geklärt und die Übungsaufgaben vorgestellt. Zusätzlich werden Hintergründe, die für die Aufgaben relevant sind, stärker beleuchtet (z.B. Hardware-Spezifika), Knackpunkte im Design und der Implementierung zusammen besprochen und Lösungen entwickelt. Da die Bearbeitung einer Aufgabe in der Regel zwei Wochen beansprucht, finden Tafelübungen nicht wöchentlich statt (siehe Semesterplan).

Die Teilnahme an den Übungen, sowie die Abgabe der Übungsaufgaben ist in diesem Semester optional, allerdings wird beides stark empfohlen.

Technische Infrastruktur

Aufgrund der aktuellen Lage sind die Computerpools nicht zugänglich, daher sind hier die Möglichkeiten an die Infrastruktur und Software zu kommen ausgelistet:

  • Fernzugrgriff auf den Linux-Pool
  • Konsole per SSH
  • Graphische Oberfläche per X2Go
  • Installation der Software auf einem eigenen PC

Auch wenn die Computerpools gerade nicht zugänglich sind, sind wir für auftauchende Fragen und Probleme da. Weiteres wird in der Übung und Vorlesung bekannt gegeben.

Eigener PC

Für die Installation auf dem eigenen PC wird folgende Software benötigt:

  • QEMU (qemu, qemu-system-x86, qemu-kvm)
  • GCC (build-essentials, binutils, gcc-multilibs, g++)
  • nasm

Für Ubuntu (20.04):

apt install nasm qemu qemu-system-x86 qemu-kvm build-essential binutils gcc-multilib g++

Vorläufiger Semesterplan

KW Montag Di 12:15 Fr 12:15 Fr 13:45 Späteste Abgabe
KW14 05. April VL1Einführung Ü0C++
KW15 12. April VL2BS-Entwicklung Ü1Ein-/Ausgabe
KW16 19. April
KW17 26. April VL3IRQs (Hardware) Ü2IRQ-Behandlung A1Abgabe 1
KW18 03. Mai VL4IRQs (Software)
KW19 10. Mai Pfingsten
KW20 17. Mai VL5IRQs (Synchronisation) Ü3IRQ-Synchronisation A2Abgabe 2
KW21 24. Mai VL6Intel IA-32
KW22 31. Mai VL7Koroutinen und Fäden Ü4Fadenumschaltung A3Abgabe 3
KW23 07. Juni
KW24 14. Juni VL8Scheduling Ü5Zeitscheiben-Scheduling A4Abgabe 4
KW25 21. Juni VL9Architekturen
KW26 28. Juni VL10Fadensynchronisation Ü6Fadensynchronistion A5Abgabe 5
KW27 05. Juli VL11Gerätetreiber
KW28 12. Juli VL12Ausblick Ü7Anwendung (opt) A6Abgabe 6

Die optionale Übung 0 bietet eine kurze Einführung in betriebssystemspezifisches C++. Die Abgabe findet in den Rechnerübungen durch gemeinsame Diskutieren der Lösung statt.

Vorkenntnisse

  • Grundlagen aus dem Betriebssystembereich wie Unterbrechungen, Synchronisation und Ablaufplanung aus früheren Veranstaltungen (Betriebssysteme)
    • Wiederholung und Vertiefung in Vorlesung und Übung
  • C / C++ und Assembler (x86)
    • Betriebssystemspezifische Inhalte werden in den Übungen vermittelt.
    • Hilfe bei Bedarf

Evaluation

Anmeldung und weitere Infos

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