Grundlagen der Betriebssysteme: Von Batch bis Multiprogramming

Was ist ein Betriebssystem?

Ein Betriebssystem ist eine Software, die die grundlegende Verwaltung und Kontrolle aller Ressourcen eines EDV-Systems ganzheitlich steuert.

Die Anfänge der Betriebssysteme

Ursprünglich gab es kein Betriebssystem. Der Betrieb erfolgte manuell über eine Konsole:

• Eingabe der Startadresse für Programme.
• Verwendung von Magnetbändern oder Lochkarten.
• Der Benutzer hatte direkten Zugriff auf Speicherregister, was oft zu Programmfehlern führte.
• Die Ergebnisse wurden in kontinuierlicher Form oder auf Karten ausgegeben.
• Der Computer wurde blockweise für Nutzer reserviert, was zu ineffizienten Rüstzeiten führte.

Einfache Batch-Verarbeitung (Stapelverarbeitung)

Um wiederholte Kompilierungsfehler zu vermeiden, wurden Prozesse gleicher Art gruppiert. Da dies jedoch zu Leerlaufzeiten der CPU führte, wurde ein automatischer Sequenzer entwickelt – der Vorläufer des ersten Betriebssystems (Monitor Resident).

OFF-LINE-Operationen und Spooling

Bei der OFF-LINE-Verarbeitung wurde ein sogenannter Satelliten-Computer eingesetzt, um die Interaktion zwischen Kartenlesern und Bandlaufwerken zu beschleunigen. Ein Nachteil war der rein sequentielle Zugriff.

Features des Spooling:

• Verwendung der Festplatte als großer Puffer für Ein- und Ausgabedaten.
• Ermöglicht die parallele Verarbeitung von Ein-/Ausgabe-Operationen und CPU-Berechnungen.
• Einführung von Datenstrukturen wie Job-Queues und Process Scheduling.
• Grundlage für die Entwicklung der Multiprogrammierung.

Multiprogramming

Das Ziel der Multiprogrammierung ist eine optimale CPU-Auslastung, indem mehrere Programme gleichzeitig im Speicher gehalten werden. Dies erhöht den Durchsatz (die Menge der in einem Zeitintervall erledigten Arbeit).

Klassifikation der Arbeiten

• I/O-gebundene Prozesse: Viele kurze Zyklen mit Ein-/Ausgabe-Operationen.
• CPU-gebundene Prozesse: Lange Zyklen, in denen die CPU intensiv genutzt wird.

Ein effizientes System benötigt eine gute Mischung aus beiden Arbeitstypen.

Prozessmanagement

Ein Prozess ist ein laufendes Programm, sei es ein Batch-Job, ein Anwenderprogramm oder eine Systemaufgabe.

Der Prozess-Kontrollblock (PCB)

Jeder Prozess wird im Betriebssystem durch einen PCB repräsentiert, der wichtige Informationen enthält:

• Prozess-ID: Eindeutige Kennung.
• Status: Bereit, laufend, wartend oder beendet.
• Programmzähler: Adresse der nächsten auszuführenden Anweisung.
• CPU-Register: Gespeicherter Zustand bei Unterbrechungen.

Ready-Queue (Bereit-Warteschlange)

Prozesse, die auf die Ausführung warten, werden in einer verketteten Liste (Ready-Queue) verwaltet, die auf die jeweiligen PCBs verweist.

Scheduling-Strategien

Langfristige Planung (Long-Term Scheduler)

Bestimmt, welche Jobs zur Verarbeitung zugelassen werden. Er steuert den Grad der Multiprogrammierung und wird seltener aufgerufen.

Kurzfristige Planung (Short-Term Scheduler)

Wählt aus der Menge der bereiten Prozesse den nächsten aus, der die CPU erhält. Da dieser Vorgang sehr häufig stattfindet, muss er extrem schnell sein.