1 Komponenten und Konzepte

Es soll vorhandene Hardware verwalten und steuern und Benutzerprogrammen eine einfache Schnittstelle zur Hardware zur Verfügung stellen.

Unter einem Betriebssystem versteht man eine Software, die zusammen mit der Hardware des Computers die Basis zum betrieb bildet und insbesondere die Abarbeitung von Programmen steuert und überwacht.

• Windows (7, 8, 10, 11)

• Linux (Suse, Ubuntu)

• macOS

Verwaltungsprogramme, z.B. für:

• Prozesssystem (Dienste, Anwendungen, …)

• Speicherzuteilung (RAM, …)

• Belegung externer Speichermedien (Festplatten, …)

• Bereitstellung von Geräten (Drucker, …)

Steuerprogramme, z.B. für:

• Eingabe von Zeichen über die Tastatur, …

• Ausgabe von Zeichen auf dem Monitor, ...

• Speicherung von Daten auf der Festplatte, …

Dienstprogramme, z.B. für:

• Konfigurieren der Hardware und des Betriebssystems

• Anzeige und Bearbeitung von Dateien

• Kopieren, sichern und wiederherstellen von Dateien

Bibliotheken und Treiber:

• stellen Anwendungsprogrammen Betriebssystemfunktionen zur Verfügung

• binden Hardware in das Betriebssystem ein

• veranlassen die Hardware zu den gewünschten Aktionen

• Abstraktion von Hardware

• Bereitstellung von High-Level-Schnittstellen

• Verwaltung von Systemressourcen

• Single- oder Multitask Systeme

• Einzelplatz- oder Mehrplatz-Systeme

• proprietär (nur für bestimmte Rechner bzw. Rechnermodelle)

  oder allgemein verwendbar

Weitere Merkmale z.B. für verwendung von Desktop oder Server, für Mobile geräte, Multimediasysteme, Steuerungen uvm.

• Bereitstellung von Schnittstellen (einheitliche Sicht auf verschiedene Geräte)

• Vereinheitlichung der Speicherverwaltung

• Beispielsweise der einheitliche Zugriff auf externe Speichermedien.

• Funktionen, die mehrere (viele) Einzelbefehle kumulieren

  • Beispiel: Schreiben auf Festplatte: Die interne Struktur ist für das Anwenderprogramm nicht relevant.

• Betriebsmittel (Ressourcen) wie Prozessor, Speicher, Prozesse, Threads müssen zugeordnet werden.

  • Dabei sind viele verschiedene Anforderungen zu beachten z.B. Realzeitanforderungen, Zugriffsschutz

• Großrechner-Betriebssystemen

• Server-Betriebssystemen

• Echtzeit-Betriebssystemen

• PC-Betriebssystemen

• Betriebssystemen für "Eingebettete Systeme"

• Multiprozessor-Betriebssystemen

• SmartCard-Betriebssystemen

Für "Mainframes" im "Rechenzentrum" (wichtigste Rechnerart in den 60er und 70er Jahren). Wesentliches Merkmal ist der Mehrbenutzerbetrieb.

Drei typische Einsatzarten:

• Stapelverarbeitung "Batch Processing"

  • Keine Interaktion mit Anwender.

  • Beispiel: Erstellung von Gehaltszetteln für eine Organisation.

• Transaktionsverarbeitung

  • Hohe Zahl (tausende pro Sekunde) kleiner Anfragen auf teilweise gemeinsamen Daten.

  • Beispiel Flugticket-Reservierungssystem.

• Dialog-Betrieb im Timesharing-Verfahren

  • Gleichzeitige Interaktion mit mehreren (hunderten) von Benutzern, die über Datenleitung und Terminal angeschlossen sind.

Beispiele für Großrechner-BS:

• IBM MVS, OS/390, z/OS

• Siemens BS2000

Für Rechner (PC, Workstation, Mainframe), die Dienste für andere Rechner in einem Rechnernetz bereitstellen. Wesentliches Merkmal sind viele gleichzeitige Anforderungen an diese Server.

Typische Server-Dienste sind:

• Drucker-Service

• Datei-Service (Datenspeicherung)

• Web-Service (Information und einfache Verarbeitung).

Beispiele für Server-BS:

• Unix, GNU/Linux

• Windows Server-Familie

Für Rechner, die typischerweise zur Steuerung von technischen Prozessen / Vorgängen in der Außenwelt genutzt werden.

• "Zeit" ist ein wesentliches Kriterium

• Rechtzeitigkeit bedeutet nicht besonders schnell, sondern Zeitgarantien werden einhalten

• Beispiele für RTOS:

  • QNX, RTLinux, Windows CE

Harte Echtzeitsysteme

• Nichteinhalten von Zeitgarantien hat katastrophale Folgen

  • Beispiel: Motorsteuerung, Airbag-Steuerung

Weiche Echtzeitsysteme

• Nichteinhalten von Zeitgarantien kann begrenzt toleriert werden

  • Beispiel: Multimedia-Abspielsystem

• Schwerpunkt auf Interaktivität der Benutzerschnittstelle

• Beispiele für PC-BS:

  • CP/M, MS-DOS,

  • Windows (95, 98, ME; NT, 2000, XP, Vista, 7, 8, RT, 10, 11),

  • Mac OS (macOS), GNU/Linux, div. Unix

• Rechner steuert Einzelgerät (Fernseher, Mobiltelefon)

• oder ist selbst mobiles Gerät (Palmtop, PDA, Smartphone, Tablet).

• Häufig Echtzeitanforderungen, (früher oft mit eingeschränkten Ressourcen)

• Beispiele für spezialisierte BS:

  • Windows mobile bzw. phone, Android, Apple iOS, Embedded Linux, PalmOS, Symbian

• Leistungssteigerung bei Rechnern durch Vervielfältigung des Prozessors. Heute meist durch Server- oder PC-Betriebssysteme mit abgedeckt. Sonderfall: Massiv-parallele Rechner (Massively Parallel Processing) mit spezialisierten OS

• Windows Server 2012 Datacenter Edition unterstützt bis zu 64 Sockel, 640 virtuelle CPUs und bis zu 4 TB RAM.

• Red Hat Enterprise Linux ab Version 5 unterstützt laut Hersteller eine unlimitierte Anzahl von Prozessoren.

• Rechner als Chip auf Kreditkarte, Krankenkarte, Reisepass, …

• Starke Ressourcen-Einschränkung

• wenige spezielle Anforderungen an BS

• meist sehr primitive BS, proprietär vom Hersteller eines Gesamtsystems aus Karte und Software (z.B. zur Authentifizierung eines Abos für Pay-TV)

• Beinhaltet mindestens Prozess- und Speicherorganisation

• Alle weiteren Softwarebestandteile des Betriebssystems bauen auf ihm auf

• meist in unterster Softwareschicht angesiedelt

  • besitzt also unbeschränkten Zugriff auf Hardware

• Unempfindlichkeit gegen Störungen (Abstürze) in Anwendungen

• Offenheit für unterschiedlichste Anwendungen und Erweiterungen

• Einsatz auf unterschiedlicher Hardware

• Privilegierungsebenen

• Jede Ebene besitzt verschiedene Privilegien

  • Kernel-Mode

    • Alles ist erlaubt

  • User-Mode

    • Vieles ist eingeschränkt

• Monolithischer Kernel

• Mikrokernel (Clien/Server-Modell)

• Hybridkernel

• Sämtliche Funktionen werden vom Kernel übernommen

Direkt im Betriebssystemkern sind enthalten:

• Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung

• Funktionen zur Kommunikation zwischen den Prozessen

• Treiber für die Hardwarekomponenten

• mögliche weitere Funktionen

Eigenschaften:

• schnell, weil Treiber im Kernel integriert sind

• Jede Kernel-Funktion kann jede andere sofort aufrufen

• fehlerhafte Teile des Kernels führen zum Absturz des ganzen BS

• Wichtigsten Funktionen sind als Monolithischer Kernel beinhaltet.

  • Funktionen zur Speicher- und Prozessverwaltung

  • Grundfunktionen zur Synchronisation und Kommunikation

• Rest wird “ausgelagert“ / von anderer Partei übernommen

Eigenschaften:

• Teile des BS können schnell ausgetauscht werden

• Treiber laufen im User Mode

• langsamer, weil häufiger Kontextwechsel vorkommen

• physischer I/O-Zugriff ist schwierig zu implementieren

Ein Hybridkernel ist ein Kompromiss zwischen einem Mikrokernel und einem monolithischen Kernel. Aus Geschwindigkeitsgründen werden einige Teile in den Kern integriert, der deswegen kein reiner Mikrokernel mehr ist, aber noch nicht genügend Funktionen besitzt, um als monolithischer Kernel zu gelten.

Welche Dinge genau in den Kernel kompiliert und welche als Module hinzugeladen werden, ist aber nicht genau definiert. Häufig werden die komplette Prozesskommunikation und die Gerätetreiber zusätzlich in den Kernel integriert.

• Heutige Betriebsarten

  • Mehrprogrammbetrieb

  • Interaktive Verarbeitung

  • Datenfernverarbeitung, z.B.

    • Rechnernetze

    • Datennetze

    • Terminalserver

  • Mehrbenutzerbetrieb

  • Mehrprozessorbetrieb

  • Sonderformen

    • Prozessbetrieb

    • Echtzeitbetrieb

• Frühe Betriebsarten

  • Stapelbetrieb: ein Auftrag nach dem anderen

  • Ein- und Ausgabe praktisch direkt an der Zentraleinheit

  • Einbenutzerbetrieb

Stapelverarbeitung oder auch Batchverarbeitung bezeichnet die Bearbeitung von Aufgaben nacheinander (sequentiell).

Bei der interaktiven Verarbeitung muss ein Auftrag nicht vollständig definiert sein. Er wird vielmehr in Form von einzelnen Schritten im System abgearbeitet. Dabei findet ständig ein Informationsaustausch zwischen System und Anwender statt.

Ist der Anwender ein Mensch, spricht man von Dialogverarbeitung.

Es befindet sich immer nur ein Anwenderprogramm im Arbeitsspeicher, das auf alle Betriebsmittel uneingeschränkt zugreifen kann.

Im Einprogrammbetrieb (Singletasking) werden die Benutzeraufträge

nacheinander bearbeitet.

Mehrprogrammbetrieb (Multitasking) bezeichnet die Fähigkeit eines Betriebssystems oder allgemeiner einer Software, mehrere Aufgaben (engl. Tasks) gleichzeitig zur Ausführung anzunehmen.

Verfügt das System über mehrere Ausführungseinheiten (CPUs), kann eine tatsächliche Parallelität erreicht werden.

• Beim Einbenutzerbetrieb steht das Betriebssystem einem einzigen Anwender zur Verfügung.

  • Moderne Betriebssysteme haben für Administrations- und Reparaturzwecke häufig die Möglichkeit, in einen solchen eingeschränkten Modus versetzt zu werden.

• Beim Mehrbenutzerbetrieb werden Arbeitsumgebungen für verschiedene Benutzer bereitgestellt und voneinander abgegrenzt.

  • Dies erfordert:

    • die Erkennung verschiedener Nutzer

    • die Verwaltung deren privater Arbeitsverzeichnisse und persönlicher Voreinstellungen

    • ein Konzept für das Management von Zugriffsrechten auf gespeicherte Daten und andere Systemressourcen

Prozessrechner sind Rechner, die durch folgende Parameter

gekennzeichnet werden:

• Eingangssignale kommen ausschließlich oder überwiegend von Sensoren

• Ausgangssignale werden ausschließlich oder überwiegend über Aktoren ausgegeben

• lediglich die Programmierung erfolgt durch Eingaben von Menschen, z.B. per Tastatur

• die Datenverarbeitung erfolgt in Echtzeit, entsprechend dem zugehörigen Prozess

Typische Beispiele für Prozessrechner sind:

• Steuerungsrechner von Anlagen (wie Fertigungsstraßen oder Hochöfen)

• Microcontroller z.B. zur Steuerung von Haushaltsgeräten

• Motorsteuerungen von Kraftfahrzeugen

Unter Firmware versteht man Software, die für Grundfunktionalitäten von Geräten verantwortlich ist, z.B.:

• Initialisierung nach dem Starten (z.B. Power on)

• Fehlererkennung und ggf. Beseitigung/Umgehung (z.B. fehlerhafte Sektoren)

• Verbergen von Funktionalitäten (z.B. Caching bei Datenträgern)

Im Falle eines universellen Rechnersystems stellt die Firmware eine weitere Abstraktionsschicht dar, die noch vor dem eigentlichen Betriebssystem mit dem Anwender kommuniziert.

Übliche Firmware ist z.B. das:

• Basic Input Output System (BIOS)

• Extensible Firmware Interface (EFI)

Das BIOS (Basic Input/Output System) initialisiert die Hardware vor dem Start des Betriebssystems.

Die Hauptaufgaben des BIOS wurden und werden von den einzelnen BIOS-Herstellern leider nicht in standardisierter Form gelöst.

Hauptaufgaben im Detail:

• Power On Self-Test (POST). Prüfung ob die grundlegenden Komponenten funktionsfähig sind

• Initialisierung der Hardware

• Starten des Betriebssystems, meist in einem mehrstufigen Ladeprozess

Das Extensible Firmware Interface (EFI) stellt den Nachfolger des klassischen BIOS dar. Es soll Funktionen des BIOS vereinheitlichen und gleichzeitig neu ermöglichen. Bei der EFI-Spezifikation handelt es sich um ein Embedded-System, welches sich einfacher bedienen lassen soll, ein grafisches Benutzerinterface unterstützt und auch netzwerkfähig ist (z.B. für Updates aus dem Internet).

BIOS:

UEFI: