Grundlagen der Betriebssysteme: Funktionen und Speicher

Software und Hardware

Software ist die Gesamtheit der Anweisungen und Programme, die dem Computer mitteilen, wie die Ressourcen (Hardware) zu nutzen sind.

• Systemsoftware: Verantwortlich für die Steuerung der Operationen innerhalb eines Computers.
• Anwendungssoftware: Lösung spezifischer Probleme (z. B. Tabellenkalkulation).

Das Betriebssystem (OS)

Ein Betriebssystem ist eine Sammlung von Programmen, die den Computer ordnungsgemäß steuern und als Schnittstelle zwischen Maschine und Anwender fungieren.

Ziele eines Betriebssystems

• Komfort: Erleichtert die Nutzung des Computers durch eine benutzerfreundliche Schnittstelle.
• Effizienz: Verwaltet Ressourcen für eine optimale Auslastung.
• Evolution: Ermöglicht die Erweiterung des Systems um neue Funktionen.

Historische Entwicklung

Transistoren-Ära

Der Operator hatte die totale Kontrolle über die Maschine. Jobs wurden nacheinander (via Karten und Bänder) abgearbeitet; der Benutzer hatte keinen direkten Zugriff.

Ära der integrierten Schaltkreise (IC)

Das Betriebssystem ermöglichte die direkte Kommunikation. Wichtige Entwicklungen waren Multiprogramming, Multiprocessing, Time-Sharing und die Entwicklung von Dateisystemen zum Schutz von Daten.

Spezielle Systeme

Echtzeitsysteme

Diese Anlagen müssen sofort auf Ereignisse reagieren. Hier ist die Reaktionsgeschwindigkeit das entscheidende Kriterium.

Verteilte Systeme und Rechnernetze

Diese Systeme unterstützen die Kommunikation und Synchronisation tausender Prozessoren. Jeder Prozessor verfügt über eigene Geräte, wobei Ressourcen gemeinsam genutzt werden können.

Aufgaben des Betriebssystems

• Prozessmanagement
• Speichermanagement
• Dateisystemverwaltung
• Ein-/Ausgabemanagement
• Schutz und Informationssicherheit

Speichermanagement

Ziele des Speichermanagements

• Umzug: Das Betriebssystem weist Prozessen bei Bedarf Speicher zu und gibt diesen nach Abschluss wieder frei.
• Schutz: Der Speicher-Manager verhindert Kollisionen zwischen Prozessen im gleichen Speicherbereich.
• Vergleich: Schutzmechanismen müssen flexibel sein, um bei Bedarf den Zugriff auf gemeinsame Speicherbereiche zu ermöglichen.

Es wird zwischen zwei Speicherebenen unterschieden: Primärspeicher (Hauptspeicher) und Sekundärspeicher.

Virtueller Speicher und Paging

Paging ist die Aufteilung des physischen Speichers in Bereiche, sogenannte Frames, und die Aufteilung von Prozessen in Stücke gleicher Größe, sogenannte Seiten.

• Das Betriebssystem führt für jeden Prozess eine Seitentabelle, die den Zugriff auf nicht-kontinuierliche Frames ermöglicht.
• Die Seitentabelle enthält ein Präsenz-Bit, das anzeigt, ob sich die Seite im realen Speicher befindet.
• Die Paging-Hardware übersetzt logische in physische Adressen mittels des DAT-Mechanismus (Dynamic Address Translator).

Umsetzung einer logischen in eine physische Adresse

Der DAT zerlegt die Adresse in Seitennummer und Offset:

1. Der DAT ermittelt über das ROTB (Register) die Adresse des Anfangs der Seitentabelle.
2. Der DAT prüft den Eintrag für die Seitennummer.
3. Der DAT prüft das Präsenz-Bit, um festzustellen, ob die Seite im realen Speicher geladen ist oder sich im virtuellen Speicher befindet.