Betriebssysteme: Grundlagen, Verwaltung und Entwicklung

Was ist ein Betriebssystem?

Ein Betriebssystem (OS) ist ein Softwarepaket, das entwickelt wurde, um dem Anwender eine effiziente Kommunikation mit seinem Computer und dessen Ressourcen zu ermöglichen.

Vorteile eines Betriebssystems

• Das Betriebssystem erkennt die Hardware und ermöglicht den Systemstart.
• Es verwaltet die Ressourcen des Rechners effizient, insbesondere für Service-Prozesse.
• Es bietet dem Anwender die Möglichkeit, über Schnittstellen wie die Maus mit dem Computer zu kommunizieren.

Hauptaufgaben von Betriebssystemen

1. Verwaltung der Hardware: Effiziente Verwaltung der Maschinenressourcen.
2. Benutzerunterstützung: Erleichterung der Arbeit des Benutzers und Funktion als Schnittstelle zwischen dem Benutzer und der Computer-Hardware.

Arten von Betriebssystemen

• Single-User-Betriebssysteme: Ermöglichen nur einem Benutzer, der zu einem bestimmten Zeitpunkt angemeldet ist, die Ausführung von Programmen.
• Multiuser-Betriebssysteme: Mehrere Benutzer können gleichzeitig angemeldet sein und auf die Computerressourcen zugreifen.

Historische Entwicklung (1955–1965)

In dieser Ära traten wichtige Entwicklungen auf:

• Einführung von Transistoren: Maschinen wurden kleiner, billiger, verbrauchten weniger Energie und erzeugten weniger Wärme.
• Die Assemblersprache erschien Ende der 50er Jahre, gefolgt von Hochsprachen.
• Die Dateneingabe erfolgte über Lochkarten; die Informationsverarbeitung wurde als Batch-Verarbeitung bezeichnet.
• Der Computer arbeitete mit der Operator-Konsole, Bandlaufwerken und einem Übersetzungsprozess. Der Programmierer war für das Schreiben und Debuggen der Software verantwortlich.

Benutzerdienste (User Services)

• Programm-Implementierung: Das System ermöglicht das Laden und Ausführen von Programmen und vereinfacht deren Überprüfung.
• Geräteoperationen I/O: Das Betriebssystem stellt eine virtuelle Maschine bereit.
• Dateiverwaltung: Gewährleistung der Unabhängigkeit der Darstellung von Datensammlungen, sodass eine lange Bitfolge als einzelnes Objekt behandelt werden kann.

Systemdienste (System Services)

Management und Ressourcenabrechnung. Die verwalteten Mittel sind im Grunde Computer-Hardware-Komponenten:

• CPU: Management von Prozessen, Verfahrensausführungszeit und Priorität der Prozesse.
• Speicher (Memory): Verwaltung des freien Speicherplatzes und Speichermanagement für alle Prozesse.
• Geräte I/O: Überwachung der Kommunikation zwischen Peripheriegeräten und der CPU.
• Schutz: Implementierung notwendiger Sicherheitsmaßnahmen, um zu verhindern, dass Programme (freiwillig oder unfreiwillig) Aktionen ausführen, die den PC gefährden.

Prozesse und Programme

Grundannahmen zu Prozessen:

1. Ein Prozess ist ein laufendes Programm.
2. Ein Prozess wird erstellt, ausgeführt und beendet.
3. Ein Prozess muss im Hauptspeicher laufen, um ausgeführt zu werden.
4. Ist ein Prozess größer als der RAM, wird er in Teile zerlegt.
5. Ein Prozess ist im System einzigartig; sein zugeordneter Speicherbereich darf nicht von anderen überschrieben werden.
6. Ein Prozess hat immer einen Eigentümer (normaler Benutzer oder Root).

Verwaltung von Prozessen und Prozessor

Der Teil des Betriebssystems, der die Prozessplanung steuert, sind die Planungsfunktionen (Scheduler):

• Zuweisung eines Speicherplatzes bei der Erstellung eines Prozesses (Prämisse 3).
• Freigabe des Speicherplatzes, wenn ein Prozess endet (Prämisse 2).
• Entscheidung, welcher Prozess bei jeder CPU-Zeit läuft, unter Berücksichtigung der Prozesspriorität (Prämisse 1 und 6).
• Protokollierung, wenn ein Prozess nicht in den Arbeitsspeicher passt. Wenn ein Befehl nicht im Speicher ist, muss er von der Festplatte in den Hauptspeicher geladen werden (Prämisse 4).

Speicherverwaltung (Memory Management)

Der Teil des Betriebssystems, der den Speicher verwaltet, ist der Speicher-Manager:

• Partitionierung des Speichers für alle laufenden Prozesse.
• Verwaltung der Speicherbereiche, die verwendet werden und welche frei sind.
• Reservierung von Speicherplatz für Prozesse.
• Freigabe des Speicherplatzes, wenn Prozesse beendet sind.
• Verwaltung des Austauschs von Daten zwischen Speicher und Festplatte, falls Prozesse zu groß für den einmaligen Speichereintritt sind.
• Kontrolle des Zugriffs auf nicht autorisierte Speicherbereiche.

Klassifizierung von Betriebssystemdiensten

Betriebssysteme werden nach verschiedenen Kriterien klassifiziert:

Nach Anzahl der Benutzer:

• Single-User: Unterstützt nur einen angemeldeten Benutzer gleichzeitig.
• Multi-User: Mehrere Benutzer können gleichzeitig angemeldet sein und Systemressourcen nutzen.

Nach Anzahl der Aufgaben (Tasks):

• Single-Task: Das System kann nur ein Verfahren oder eine Aufgabe gleichzeitig ausführen und die Ressourcen darauf konzentrieren.
• Multitasking: Mehrere Programme oder Aufgaben können gleichzeitig ausgeführt werden. Dies setzt voraus, dass mehr als ein Prozess im System aktiv ist.

Nach Anzahl der Prozessoren:

• Uniprozessor: Das System hat nur einen einzigen Prozessor, der alle Arbeiten erledigt.
• Multiprozessor: Das System verfügt über mehr als einen Prozessor, und die Aufgaben werden auf diese verteilt.
  • Asymmetrisch: Das Betriebssystem wählt einen der Prozessoren zur Lastverteilung aus.
  • Symmetrisch: Alle Prozessoren sind gleichberechtigt; Prozesse oder Aufgaben werden dem Prozessor mit der geringsten Auslastung zugewiesen.