Betriebssystem

Lehrmaterial Betriebssystem
Betriebssystem
Die DIN - Norm 44300 versteht unter einem Betriebssystem diejenigen Programme eines digitalen
Rechnersystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechneranlage die Basis der möglichen
Betriebsarten des digitalen Rechnersystems bilden und insbesondere die Abwicklung von Programmen
steuern und überwachen.
Mit anderen Worten: Das Betriebssystem setzt sich aus einer Anzahl von Routinen zusammen, deren
Zusammenwirken erst den Betrieb des Rechners ermöglicht. Diese Systemroutinen stellen die Verbindung her
zwischen der System-Hardware, der Systembedienung (durch den Anwender) und den Anwendungsprogrammen.
Monolithisches Betriebssystem
Einfache Betriebssysteme wie DOS besitzen eine monolithische Struktur, d.h., sie sind entweder nicht in
selbständige Funktionseinheiten strukturiert oder so aufgebaut, dass keine Einheiten ausgetauscht werden können.
Monolithische Betriebssysteme entstanden meistens aus einer Anzahl von Assembler -Routinen, die aufeinander
Bezug nehmen und im Laufe der Zeit um zusätzliche Routinen (für neue Funktionen) ergänzt wurden.
Da fast jede Systemroutine direkt eine andere aufrufen kann, entsteht ein vernetztes Gebilde, das nur als Einheit
funktionsfähig ist.
Nur Unterscheidung von Benutzer- und Kernmodus
Geschichtetes Betriebssystem
Der erste Schritt, um die unflexible monolithische Struktur zu vermeiden, war das Verbot von Direktzugriffen der
Anwendungen auf den Arbeitsspeicher, insbesondere auf den vom Betriebssystem-Code belegten Bereich. Es
wurden Prozessoren eingesetzt, die über einen privilegierten Modus (Kernel Mode oder Protected Mode) verfügen,
in dem allein Speicherzugriffe möglich sind. In diesem Modus laufen nur die Systemroutinen.
Alle Anwendungen bleiben auf den nichtprivilegierten User Mode (Anwendungsmodus) beschränkt und können so
das System nicht mehr gefährden. Zusätzlich wurden die Systemfunktionen in funktional unabhängige Schichten
gegliedert, um die Auswechselbarkeit zu erleichtern.
Eine strikte Trennung der Funktionen erfordert allerdings sehr viele Schichten, wodurch sich der Code-Umfang und
die Anzahl der Prozeduraufrufe erhöhen, was zu Leistungseinbußen führt.
Dazu sind Prozessoren notwendig, die mehrere Privilegstufen unterstützen und so schon von seiten der Hardware
eine Schichtung vorgeben (die Intel-Prozessoren erkennen ab dem I0386 vier Stufen).
Erarbeitet: Klaus Neumann
CES-Löbau
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ZB. Modell von 1968(Eindhoven, Dijkstra)
Schicht
5
4
3
2
1
0
Charakterisierung
Opareter
Benutzerprogramme
Eingabe- und Ausgabeverwaltung
Operator zu Prozess – Kommunikation
Speicher- und Trommelverwaltung
Prozessorvergabe und Multiprogramming
Client-Server-Struktur
Moderne Betriebssysteme versuchen, eine Client-Server-Struktur zu realisieren. Sie sehen dabei Anwendungen und
Systemfunktionen als unabhängige Objekte an, die entweder als Klienten (Clients) oder Anbieter (Server) von
Diensten miteinander durch den Austausch von Nachrichten kommunizieren, und zwar ausschließlich im
nichtprivilegierten Modus. Die Verteilung der Nachrichten übernimmt ein im privilegierten Modus arbeitender
Systemkern.
Objektorientiertes Betriebssystem
Solche Betriebssysteme basieren auf Objekten und sind so mit Hilfe der Methode des objektorientierten Designs
(OOD) konstruiert, dass die Entwicklung durch Fremdhersteller erleichtert wird. ( Windows NT)
Betriebsarten
Unter der Betriebsart eines Rechnersystems ist die Methode zu verstehen, nach der anfallende Aufgaben
abgearbeitet werden.
Stapelverarbeitung
Die älteste Betriebsart für Computer ist die Stapelverarbeitung (batch processing). Dabei werden mehrere Aufträge
(früher: Lochkartenstapel) für den Rechner gesammelt und dann en bloc ausgeführt, ohne dass der Benutzer die
Verarbeitung im Dialog mit dem Rechner steuern kann. Im PC -Bereich steht der Begriff für die Verarbeitung von
sog. Batch-Dateien, in denen eine Anzahl von Steuerbefehlen gesammelt ist, die sonst einzeln am Bildschirm
eingegeben werden müssen.
Dialogbetrieb
Das Gegenteil zur Stapelverarbeitung ist der heute übliche Dialogbetrieb, bei dem der Anwender im direkten Dialog
am Bildschirm mit dem Rechner kommuniziert. Wenn für sehr schnell ablaufende Ereignisse (Messdatenerfassung,
Fernsehbildverarbeitung usw.) eine sofortige Reaktion des Rechners erforderlich ist, weil das zu verarbeitende
Ereignis sonst bereits vergangen wäre, spricht man von Echtzeitbetrieb (real-time -operation).
Mehrbenutzerbetrieb
Sind an einen Rechner mehrere Benutzer angeschlossen, handelt es sich um Mehrbenutzerbetrieb bzw. MultiuserBetrieb oder Timesharing. Für diese Betriebsart ist ein spezielles Betriebssystem erforderlich (z. B. UNIX), das
die gesamte Rechnerleistung in kleine Zeiteinheiten aufteilt und diese umschichtig jedem angeschlossenen Benutzer
zur Verfügung stellt. Hat z. B. eine solche als Zeitscheibe bezeichnete Einheit eine Dauer von 1/100 Sekunde und
sind drei Benutzer bei der Arbeit, so steht der Rechner jedem Anwendungsprogramm in Abständen von 1/50
Sekunde für 1/100 Sekunde zur Verfügung. Bei schnellen Rechnern hat der Benutzer den Eindruck, allein über das
System zu verfügen.
Multiprocessing
Werden mehrere Rechner bzw. Prozessoren zur Verwaltung desselben Arbeitsspeichers zusammengeschaltet,
spricht man von Multiprocessing.
Dabei sind entweder alle Prozessoren gleichberechtigt (symmetrisches System), oder
Erarbeitet: Klaus Neumann
CES-Löbau
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ein Prozessor fungiert als Hauptrechner, dem die anderen nur zuarbeiten (asymmetrisches System).
Ein einfaches Beispiel für ein asymmetrisches System ist ein Rechner mit einem separaten mathematischen
Koprozessor.
Multiprogramming
Weil der Prozessor die meiste Zeit mit Warten verbringt (auf Eingaben und langsame Peripheriegeräte),
ermöglichen einige Betriebssysteme die Betriebsart Multiprogramming bzw. Multitasking . Dabei gibt ein
Programm, das sich im Wartezustand befindet, die Kontrolle über den Prozessor zeitweise an eine andere
Anwendung ab. Auf diese Art lassen sich mehrere Programme parallel abarbeiten. Echtes Multiprogramming ist
allerdings nur auf Multiprocessing Systemen möglich, weil nur dort für jedes Programm ein eigener Prozessor zur
Verfügung steht. Auf Rechnern mit einem Prozessor können die Anwendungen nur nach dem
Zeitscheibenverfahren zeitlich verzahnt werden.
Erarbeitet: Klaus Neumann
CES-Löbau