Grundlagen und Funktionen von Betriebssystemen

Konzepte und Struktur von Betriebssystemen

Einführung in Betriebssysteme

• Definition Betriebssystem (BS): Eine Sammlung von Programmen, Diensten und Funktionen zur Verwaltung und Koordination des Betriebs von Hardware (HW) und Software (SW).
• Interaktion mit dem Benutzer: Schnittstellen
  • Textmodus (Befehlszeile/Prompt)
  • Grafikmodus (Maus, Touchscreen, Sprache)
• Arten von Betriebssystemen nach Hardware- und Software-Management:
  • Einzelbenutzer-Betriebssysteme: Nur ein gleichzeitiger Benutzer.
    • Beispiele: Windows XP, Windows Vista, MS-DOS.
  • Mehrbenutzer-Betriebssysteme: Mehrere Benutzer können Software- und Hardware-Ressourcen eines Computers gemeinsam nutzen.
    • Grafische Benutzeroberfläche.
• Datenserver oder Anwendungsserver?
  • Datenserver: Anwendungen laufen auf dem Client-PC, Daten sind auf dem Server gespeichert.
    • Beispiele: Datenbankmanagementsysteme (DBMS) wie Oracle, SQL Server, Access, MySQL.
  • Anwendungsserver: Die Anwendung läuft auf dem Server; der Client greift über ein kleines Programm (z.B. Browser) zu.
    • Beispiele: Webanwendungen (PHP, ASP, ASPX) wie eBay, Amazon, Google.

Funktionen eines Betriebssystems

• Koordination der grundlegenden Hardware-Nutzung durch Anwendungen (durch das Betriebssystem selbst oder den Benutzer).
• Schichtaufbau: Hardware, Software und Benutzer.
• Was sind die Schichten?
  • Antwort: Schnittstelle: Eine Sammlung von Programmen, die auf dem Computer ausgeführt werden und es dem Endbenutzer ermöglichen, auf die Hardware zuzugreifen und seine Programme auszuführen.
• Dienste: Hintergrundprogramme, die Folgendes ermöglichen:
  • a) Verwaltung des Zugriffs auf Peripheriegeräte.
  • b) Verwaltung des Zugriffs auf Dateien.
  • c) Überwachung von Hardware- und Softwarefehlern.
  • d) Speicherung von Informationen über Ereignisse.
• Können eigene Dienste installiert werden? Ja.
  • Beispiele:
    • a) Webserver-Dienste (z.B. Apache-Server).
    • b) Bereitstellung des Zugriffs auf Datenbanken (z.B. Oracle).
    • c) Virenschutzdienste (z.B. AVG Free).

Ressourcenmanagement in einem Betriebssystem

Speicherverwaltung

• Speicherverwaltung: Funktionen
  1. Nachweis der freien und belegten Speicherbereiche.
  2. Verwaltung der Auslagerungsdatei (Swap-Festplatte).
• Wie wird Speicher reserviert?
  • Festlegung von Partitionsrichtlinien für eine einfache Verwaltung.
    • Raumverschwendung.
    • Komplexere Verwaltung variabler Partitionen.
    • Geringere Verschwendung.

Prozess- und Prozessorverwaltung

• Prozessdefinition: Ein laufendes Programm (Task = Aufgabe).

• Merkmale von Prozessen

  • a) Muss im Speicher liegen und ausreichend Ressourcen zugewiesen bekommen.
  • b) Jede Aktivität ist vor anderen Prozessen geschützt.
  • c) Es gibt Benutzerprozesse (UP) und Systemprozesse (SP).
    • Benutzerprozesse (UP): Ausführung im eingeschränkten Modus.
    • Systemprozesse (SP): Ausführung im privilegierten Modus (Kernel-Modus).
  • d) Jeder Prozess hat seinen Prozesskontrollblock (PCB).
  • e) Prozesse (untereinander):
    • Konkurrieren.
    • Kollaborieren.

Architektur und Komponenten

• Architektur eines Betriebssystems:
  • Ebenen (4+1) (siehe Studie 2.1, S. 46).
  • Beispiele für virtuelle Maschinen: VMware 6.X, VirtualBox.

Betriebsarten von Betriebssystemen

• Definition: Eine Betriebsart beschreibt, wie der Benutzer die Ressourcen (Software, Hardware) und Informationen des Systems nutzt.
• Zwei Hauptformen werden unterschieden:
  • a) Stapelverarbeitung (Batch-Verarbeitung):
    • Prozesse (P1, P2, P3) werden nacheinander ausgeführt. Der Prozessor protokolliert Informationen.
    • Beispiel: Batch-Datei (.bat).
  • b) Echtzeit-Prozesse:
    • Prozesse (P1, P2, P3) liefern Ergebnisse an den Prozessor (Interaktionen).
• Echtzeitsysteme können nach folgenden Parametern klassifiziert werden:
  1. Nach der Anzahl der Benutzer.
  2. Nach der Anzahl der Prozesse.
  3. Nach der Anzahl der Prozessoren.
  4. Nach der Reaktionszeit.

Nach der Anzahl der Benutzer

• Einzelbenutzer: Gleichzeitig auf einem Computer.
  • Beispiele: MS-DOS, Windows XP.
• Mehrbenutzer:
  • Beispiel: Windows Server 2003.

Nach der Anzahl der (gleichzeitigen) Prozesse

• Monoprogrammierung (Single-Tasking):
  • Beispiel: MS-DOS.
• Multiprogrammierung (Multitasking):
  • Beispiel: Windows XP.

Nach der Anzahl der Prozessoren

• Uniprozessor: Ein einzelner Prozessor.
• Multiprozessor: Zwei oder mehr Prozessoren.
• Das Betriebssystem kann folgende Formen nutzen:
  • a) Symmetrisches Multiprozessing (SMP): Lastenausgleich zwischen den Prozessoren.
  • b) Asymmetrisches Multiprozessing (AMP): Fordert bei Bedarf zusätzliche Prozessoren an.

Nach der Reaktionszeit

• Echtzeit (unmittelbar): Ein Prozess pro Prozessor, basierend auf Priorität.
• Timesharing: Jeder Prozess nutzt einige CPU-Zyklen zur Fertigstellung.