Betriebssysteme kompakt

Dieses Buch will einen Überblick über das Thema Betriebssysteme und deren Komponenten schaffen, ohne dabei den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Das Ziel ist es, den Leserinnen und Lesern ein grundlegendes Wissen über die Funktionsweise von Betriebssystemen und deren Komponenten zu vermitteln. Technische Vorkenntnisse sind dabei nicht erforderlich.

Um die Funktionsweise von Betriebssystemen zu verstehen, ist ein grundlegendes Verständnis der Informationstechnik (IT) nötig. Bei diesen Grundlagen handelt es sich um die Möglichkeiten der Informationsdarstellung und Repräsentation von Zahlen, Größenordnungen und die Art und Weise, wie Informationen (speziell Texte) in Rechnern dargestellt werden.

Nach einer Einordnung des Themas Betriebssysteme in die Informatik behandelt dieses Kapitel grundlegende Begriffe und Unterscheidungskriterien der Betriebssysteme. Dazu gehören die unterschiedlichen Betriebsarten Stapelbetrieb und Dialogbetrieb sowie Einzel- und Mehrprogrammbetrieb. Es folgt eine Beschreibung der wichtigsten Eigenschaften von Echtzeitbetriebssystemen sowie von verteilten Betriebssystemen. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden die unterschiedlichen Architekturkonzepte von Betriebssystemkernen gegenübergestellt und der prinzipielle Aufbau der Betriebssysteme anhand eines Schichtenmodells dargestellt.

Eine berechtigte Frage ist: Warum ist es sinnvoll, dass ein kompaktes Buch wie dieses zum Thema Betriebssysteme auch eine Beschreibung der Arbeitsweise des Hauptprozessors, des Speichers und der Bussysteme enthält? Immerhin gehören die Betriebssysteme und deren Werkzeuge zum Themenkomplex Software. Die Antwort auf die oben genannte Frage ergibt sich aus dem Grund der Verwendung und der Funktionalität. Betriebssysteme erleichtern den Benutzern und deren Prozessen die Nutzung der Hardware und ein Verständnis der notwendigsten Hardwarekomponenten eines Computers ist elementar, um die Arbeitsweise der Betriebssysteme zu verstehen.

In Abschnitt 4.3 wurde bislang geklärt, dass der Speicher die Daten und auszuführenden Programme aufnimmt und im Computersystem eine Hierarchie bildet (siehe auch Abschnitt 4.4 zur Speicherpyramide). Dieses Kapitel beschreibt verschiedene mögliche Konzepte der Speicheradressierung und Speicherverwaltung durch ein Betriebssystem. Konkret weist das Betriebssystem den Programmen bei der Prozesserzeugung (siehe Abschnitt 8.4) und während der Prozessausführung auf deren Anforderung hin Teile des Speichers zu. Zudem gibt das Betriebssystem Teile des zugewiesenen Speichers frei, wenn diese von Prozessen nicht länger benötigt werden.

Neben der Verwaltung des Hauptspeichers und des Cache (siehe Kapitel 5) gehört auch die Verwaltung des Massenspeichers (zum Beispiel Solid State Drives und Festplatten) mit Dateisystemen zu den Aufgaben der Betriebssysteme. Dateisysteme organisieren die Ablage von Dateien1 auf Datenspeichern. Dateisysteme verwalten die Namen und Attribute (Metadaten) der Dateien und bilden einen Namensraum, also eine Hierarchie von Verzeichnissen und Dateien.

Wie in Abschnitt 5.3.2 beschrieben, dürfen alle Prozesse außerhalb des Betriebssystemkerns ausschließlich auf ihren eigenen virtuellen Speicher zugreifen. Will ein Prozess im Benutzermodus eine höher privilegierte Aufgabe wie zum Beispiel einen Hardwarezugriff durchführen, einen Prozess oder eine Datei erzeugen oder verwalten, muss er dies dem Betriebssystemkern durch einen Systemaufruf (englisch: System Call) mitteilen.

Wie in Abschnitt 3.8 bereits beschrieben wurde, ist die Prozessverwaltung eine der grundlegenden Funktionalitäten eines Betriebssystems.