Betriebssysteme: Interaktion und Funktionen

Betriebssysteme

• Ein Benutzer interagiert mit einem oder mehreren Anwendungsprogrammen.
• Anwendungsprogramme geben dem Benutzer Rückmeldungen und nutzen Funktionen des Betriebssystems, um mit der Hardware zu kommunizieren.
• Das Betriebssystem empfängt Aufträge von Anwendungsprogrammen über bereitgestellte Funktionen.
• Es prüft die Rechtmäßigkeit dieser Aufträge und leitet sie gegebenenfalls an die Hardware weiter.
• Anwendungsprogramme erhalten Rückmeldungen vom Betriebssystem über angenommene oder abgelehnte Aufträge.
• Die Hardware führt Befehle aus, die ihr vom Betriebssystem zugewiesen wurden, und meldet Ausführungsergebnisse an das Betriebssystem zurück.
• Das Betriebssystem wird im Falle von Hardwarefehlern informiert.

Interaktion zwischen Benutzer, Software, Betriebssystem und Hardware

• Der Benutzer interagiert mit der Software, diese kommuniziert mit dem Betriebssystem, das Anfragen prüft.
• Anwendungsprogramme erhalten Rückmeldungen, die Hardware führt Befehle aus und das Betriebssystem erhält Rückmeldungen.
• Das Betriebssystem empfängt Anfragen von Software und prüft deren Rechtmäßigkeit.

Aufgaben von Betriebssystemen

• Die zentrale Aufgabe eines Betriebssystems ist die Verwaltung von Betriebsmitteln, auch Ressourcenverwaltung genannt.
• Die Begriffe Betriebsmittel und Ressource können synonym verwendet werden.
• Zu den Aufgaben gehören Prozessverwaltung, Speicherverwaltung, Geräteverwaltung, Dateiverwaltung und Energieverwaltung.

Computerarchitektur

• Die Computerarchitektur ist ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit dem internen und externen Aufbau von Computersystemen befasst.

Zentraleinheit / CPU

• Das Steuerwerk holt Maschinenbefehle aus dem Speicher und führt sie aus; es ist der "Befehlsprozessor".
• Das Rechenwerk (ALU) führt logische und arithmetische Operationen aus; es ist der "Datenprozessor".
• Maschinenbefehle und Daten liegen im selben Speicher.
• Die Ein-/Ausgabe verbindet externe Geräte (Tastatur, Maus, Festplatten, ...) mit dem Rechenwerk und stellt die Schnittstelle nach außen dar.
• Alle Komponenten werden über ein Transportsystem verbunden, das auch Bussystem genannt wird.
• Rechenwerk und Steuerwerk sind meist als Zentraleinheit (CPU) zusammengefasst.
• Register sind kleine, schnelle Speicherbereiche innerhalb der CPU.
• Ein Register ist ein digitaler Speicherbereich direkt auf der CPU, der binäre Werte (Bits) speichert.

Steuerwerk (Befehlsprozessor)

• Das Steuerwerk sendet die Adresse eines Befehls an das Speicherwerk und führt den empfangenen Befehl aus.
• Der Befehlszähler (PC, Program Counter) ist ein Register, das die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält.
• Das Befehlsregister (IR, Instruction Register) ist ein Register, das den aktuell ausgeführten Befehl speichert.

Bus

• Ein Bus (Binary Unit System) dient zur parallelen Übertragung einer Gruppe von Bits.
• Ein Adressbus überträgt Adressen.
• Ein Datenbus überträgt Daten.

Rechenwerk (Datenprozessor)

• Das Rechenwerk führt vom Steuerwerk in Auftrag gegebene Berechnungen durch.
• Hauptbestandteil des Rechenwerks ist die ALU (arithmetisch-logische Einheit).
• Es besteht eine bidirektionale Verbindung zwischen Steuerwerk und Rechenwerk.
• Das Steuerwerk gibt über Steuerleitungen eine zu berechnende Funktion in Auftrag.
• Das Rechenwerk liefert Flags (Statusbits) an das Steuerwerk zurück.
• Das Steuerwerk gibt Funktionen wie Addition (A + B), Subtraktion (A - B) oder Multiplikation (A * B) in Auftrag.
• Weitere Funktionen umfassen Konjunktion (logisches UND), Disjunktion (logisches ODER) und Vergleiche.
• Das Rechenwerk übermittelt Statusbits, um anzuzeigen, ob das letzte Ergebnis Null war (ACC = 0?), Operanden gleich (A = B?), A < B? war oder ein Überlauf aufgetreten ist.

Speicherwerk

• Für die Kommunikation zwischen Speicherwerk und CPU werden spezielle Register verwendet: Speicheradressregister (MAR) und Speicherdatenregister (MDR).
• Das Steuerwerk legt im MAR die Adresse ab, die im Speicherwerk angesprochen werden soll.
• Beim Lesen wird der Wert vom Speicherwerk über den Datenbus im MDR abgelegt.
• Beim Schreiben muss sich der zu schreibende Wert im MDR befinden, um an das Speicherwerk übertragen zu werden.

Steuerbus

• Der Steuerbus überträgt Steuerinformationen, die vom Steuerwerk gesendet werden.

Programmarten

• Anwendungsprogramme lösen Probleme von Benutzern (z.B. Textverarbeitung, Browser).
• Systemprogramme dienen der Verwaltung des Computers; das Betriebssystem ist ein spezielles Systemprogramm.
• Das Betriebssystem stellt Benutzern und Anwendungsprogrammen elementare Dienste bereit, steuert die Programmausführung und regelt den Betrieb des Rechnersystems.

Betriebsmittel

• Ein Betriebsmittel (Ressource) ist eine Hardware- oder Software-Ressource eines Rechners. 
• Hardware-Ressourcen sind einzelne Hardware-Komponenten.
• Software-Ressourcen sind Prozesse oder Dateien auf Datenträgern.

Klassifizierungen von Betriebsmitteln

• Entziehbare Betriebsmittel können einem Prozess ohne negative Folgen entzogen werden (z.B. CPU).
• Nicht entziehbare Betriebsmittel müssen einem Prozess so lange zur Verfügung stehen, wie dieser sie benötigt (z.B. Drucker).
• Exklusiv nutzbare Betriebsmittel können nur einem Prozess gleichzeitig zugeordnet sein (z.B. CPU mit einem Kern oder Drucker).
• Gemeinsam nutzbare Betriebsmittel können von mehreren Prozessen gleichzeitig genutzt werden (z.B. Festplatte).

Betriebssystemarten

• Großrechner-Betriebssysteme (für Mainframes) verarbeiten viele Anfragen in kurzer Zeit, sind auf hohe E/A-Raten optimiert und haben große Speicherkapazitäten; sie arbeiten oft im Stapelbetrieb oder transaktionsorientiert (z.B. z/OS von IBM).
• Server-Betriebssysteme sollen schnell auf Anfragen von Clients reagieren (z.B. Windows Server, Unix, Linux); eine grafische Oberfläche ist optional und können als File-, Print-, E-Mail- oder Terminalserver eingesetzt werden.
• Betriebssysteme für Laptops und PCs werden meist dialogorientiert von einem einzelnen Benutzer verwendet (z.B. Windows, MacOS X, Linux mit KDE oder Gnome).
• Batch-Jobs sind Programme, die in den Anfangsjahren der Rechnerentwicklung komplett bis zum Ende bearbeitet wurden, bevor der nächste Batch-Job gestartet wurde.
• Multitasking ermöglicht die quasi-gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozesse auf der CPU (Mehrprogrammbetrieb), was Interaktionsmöglichkeiten verbessert.

Kernel-Mode, User-Mode und Systemaufrufe

• Wenn mehrere Prozesse parallel laufen, muss sichergestellt sein, dass jeder Prozess nur auf seine eigenen Daten zugreifen kann und dass die CPU fair aufgeteilt wird.

• Jeder einzelne Prozess besitzt eigene Daten, und es muss sichergestellt werden, dass nur der berechtigte Prozess Zugriff auf diese Daten hat und das andere Prozesse Daten nicht unberechtigt auslesen können.

• Im Kernel-Mode sind alle Befehle erlaubt und es kann auf alle Speicherbereiche und Betriebsmittel zugegriffen werden; das Betriebssystem arbeitet üblicherweise im Kernel-Mode.

• Im User-Mode ist nur ein eingeschränkter Befehlssatz erlaubt und der Zugriff auf Speicherbereiche und Betriebsmittel ist beschränkt; Anwendungsprogramme arbeiten üblicherweise im User-Mode.

• Ein Übergang vom Kernel-Mode in den User-Mode ist unproblematisch, aber der Übergang vom User-Mode in den Kernel-Mode erfordert einen Systemaufruf.

Systemaufruf

• Ein Systemaufruf (Syscall) ist ein Aufruf einer Funktion des Betriebssystems, der nur im Kernel-Mode ausgeführt werden kann.
• Der Prozess im User-Mode übergibt die Kontrolle an das Betriebssystem, das die Funktion nach einer Sicherheitsüberprüfung ausführt.
• Anschließend wird wieder in den User-Mode zurückgeschaltet.
• Beispiel: Ein Anwendungsprogramm möchte auf eine Datei zugreifen; das Betriebssystem stellt hierfür Systemaufrufe wie "open", "read", "write" und "close" zur Verfügung.
• Der Ablauf ist vergleichbar mit der Auslösung eines Software-Interrupts, wobei nach Ausführung einer Interrupt-Service-Routine in den Kernel-Mode geschaltet, der Dateizugriff geprüft, erlaubt oder verweigert und dann wieder zurück in den User-Mode geschaltet wird.