Betriebssysteme: Strukturen und Konzepte einfach erklärt

Virtuelle Maschinen

Eine virtuelle Maschine ist Software, die einen Computer emuliert, sodass Programme wie auf einem echten Computer ausgeführt werden können. Diese Software wurde ursprünglich als „ein effizientes, isoliertes Duplikat einer physischen Maschine“ definiert. Der Begriff umfasst heute auch virtuelle Maschinen, die keine direkte Entsprechung zu realer Hardware haben.

Betriebssysteme

Ein Betriebssystem ist ein Satz von Programmen, die mit der Hardware interagieren, um dem Benutzer die Nutzung der verfügbaren Ressourcen zu erleichtern. Zu den wichtigsten Zielen gehören:

• Bereitstellung einer komfortablen Arbeitsumgebung.
• Effiziente Nutzung der Hardware.
• Angemessene Verteilung der Ressourcen.

Ein echtes Betriebssystem muss folgende Funktionen erfüllen:

• Systemsteuerung.
• Ressourcenverwaltung.
• Verwaltung und Kontrolle der Programmausführung.

Monolithische Struktur

Dies ist die Struktur der ersten Betriebssysteme. Sie besteht hauptsächlich aus einem einzigen Programm, das aus einer Reihe ineinandergreifender Routinen besteht, sodass jede eine andere aufrufen kann. Die wichtigsten Merkmale sind:

• Der Aufbau des endgültigen Programms basiert auf Modulen, die separat kompiliert und durch den Linker gebunden werden.
• Klar definierte Parameter für die Verbindung zwischen den Routinen, was zu einer starken Kopplung führen kann.
• Mangel an Schutz und Privilegien in der täglichen Routine bei der Verwaltung von Computer-Ressourcen wie Speicher oder Festplatten.

Diese Systeme sind in der Regel maßgeschneidert, was sie effizient und schnell macht, jedoch mangelt es ihnen an Flexibilität, um verschiedene Arbeitsumgebungen oder Anwendungsarten zu unterstützen.

Hierarchische Struktur

Mit wachsenden Anforderungen der Nutzer wurde eine stärkere Organisation der Betriebssystem-Software notwendig, bei der Teile des Systems in Ebenen organisiert wurden. Das System wurde in kleine Teile unterteilt, wobei jeder Teil eine klare Schnittstelle zum Rest besaß.

Es entstanden hierarchische Ebenen, von denen die erste durch Dijkstra (Technische Hogeschool, Eindhoven) für pädagogische Zwecke entwickelt wurde. Systeme wie Multics und Unix fallen in diese Kategorie. Eine andere Bezeichnung für diese Art von System ist das Modell der konzentrischen Ringe.

Client-Server-Struktur (Microkernel)

Die modernste Form des Betriebssystems ist das Client-Server-Modell, das auf den meisten Computern – ob groß oder klein – ausgeführt werden kann. Dieses System ist für allgemeine Zwecke konzipiert und erfüllt die gleichen Aufgaben wie gängige Betriebssysteme.

Die Hauptaufgabe besteht darin, die Kommunikation zwischen Clients und Servern zu ermöglichen. Prozesse können sowohl als Server als auch als Clients agieren. Ein Client-Programm fordert beispielsweise den entsprechenden Server an, um auf eine Datei zuzugreifen oder eine Ein-/Ausgabe-Operation durchzuführen. Dieses Paradigma bietet eine hohe Flexibilität, da der Kernel nur grundlegende Funktionen für Speicher, Ein-/Ausgabe, Dateien und Prozesse bereitstellt. Sicherheits- und Schutzmechanismen werden durch den Kernel gefiltert, der die Hardware steuert. Aktuelle Versionen von UNIX integrieren dieses Paradigma bereits in ihr Design.