Kapitel 1: Rechensysteme und Betriebssysteme

Ein offenes System ist so aufgebaut, dass es in verschiedene, voneinander abhängige Bestandteile (Komponenten) gegliedert werden kann.

Die Kommunikation zwischen den Komponenten eines offenen Systems erfolgt über Schnittstellen, die die Regeln und die Art der Kommunikation definieren.

Die Sichtweise auf eine Komponente als Black-Box betrachtet nur das äußere Verhalten und verbirgt die interne Funktionsweise.

Die White-Box-Sicht ermöglicht es, ein System in Teilsysteme zu zerlegen und somit seine interne Arbeitsweise zu verstehen.

Ein dynamisches System kann sich über die Zeit verändern. Seine Eigenschaften und sein Zustand verändern sich fortlaufend.

Aktive Komponenten in einem dynamischen System verursachen Änderungen im Systemzustand durch ihre Aktionen.

Passive Komponenten in einem dynamischen System beeinflussen den Zustand des Systems nicht aktiv, sondern reagieren auf Aktionen anderer Komponenten.

Ein System kann sich über die Zeit verändern. In einem Rechensystem werden diese Zustandsänderungen durch aktive Komponenten ausgelöst.

Die Fähigkeit des Betriebssystems, sich an neue Hardware oder Softwareanforderungen anzupassen, z. B. bei der Nutzung neuer Festplatten oder der Einführung von Cloud-Diensten.

Die Weiterentwicklung von Betriebssystemen erfolgt durch Fortschritte in der Hardwaretechnologie, die Einführung neuer Anwendungsgebiete und die zunehmende Digitalisierung.

Betriebssysteme, die für die Bereitstellung von Rechenleistung und Daten in großen Rechenzentren entwickelt wurden, z. B. SuperMUC.

Betriebssysteme, die für den Einsatz auf persönlichen Computern und Laptops entwickelt wurden, z. B. Windows, macOS.

Betriebssysteme, die speziell für mobile Geräte wie Smartphones und Tablets konzipiert wurden, z. B. Android und iOS.

Betriebssysteme, die auf Mikroprozessoren in eingebetteten Systemen wie Autos, Haushaltsgeräten oder industriellen Anlagen eingesetzt werden, z. B. QNX.

Diese Betriebssysteme wurden für allgemeine Zwecke entwickelt und sollen für verschiedene Softwareanwendungen und Aufgaben geeignet sein.

Die Entwicklung von Betriebssystemen kann auf spezifische Ziele ausgerichtet sein, z. B. die Optimierung für Performance, Sicherheit oder Stabilität.

Die einzelnen Teile eines Computersystems, wie z.B. Bildschirm, Festplatte, Arbeitsspeicher und Tastatur, die nur begrenzt zur Verfügung stehen und verwaltet werden müssen.

Ein Programm, das die Ausführung von System- und Anwendungsprogrammen steuert, überwacht und eine Schnittstelle zur Hardware-Komponenten bereitstellt.

Das Betriebssystem vereinfacht den Zugriff auf Hardware-Ressourcen, indem es abstrakte Konzepte und einheitliche Schnittstellen bereitstellt. So müssen Anwendungsprogramme nicht die komplexen Details verschiedener Geräte kennen.

Ein Programm, das die Details eines bestimmten Geräts kennt und die Kommunikation zwischen dem Betriebssystem und dem Gerät ermöglicht.

Das Betriebssystem verwaltet verschiedene Ressourcen, wie CPU-Zeit, Arbeitsspeicher und Geräte, um sicherzustellen, dass mehrere Programme gleichzeitig effizient ausgeführt werden können.

Das Betriebssystem legt fest, welches Programm priorisiert wird und wie Ressourcen aufgeteilt werden sollen. Diese Entscheidungen beeinflussen die Leistung und Effizienz des Systems.

Das Betriebssystem bietet eine einheitliche Schnittstelle für Anwendungsprogramme, sodass diese nicht die individuellen Eigenschaften jedes Geräts kennen müssen.

Die Aufgabe des Betriebssystems ist es, für die Anwendungsprogramme eine einfache Schnittstelle zu den Hardware-Komponenten bereitzustellen. Dies ermöglicht es den Programmierern, sich auf die funktionalität der Anwendung zu konzentrieren, anstatt sich um die komplexe Hardware zu kümmern.

Unter Unix (meist Linux oder macOS) ist jedes Gerät, jede Datei oder jedes Kommunikationsmittel als Datei im Verzeichnisbaum zugänglich.

Eine Gerätedatei ist eine spezielle Datei, die ein Ein- oder Ausgabegerät wie Maus, Tastatur oder Drucker repräsentiert.

Ein Dateideskriptor ist ein einfacher int-Wert, der eine geöffnete Datei im Verzeichnisbaum referenziert.

Mittels Funktionen wie open(), read(), write() und close() erfolgt der Zugriff auf Daten einer geöffneten Datei über den Dateideskriptor.

Eine Datei kann z.B. eine normale Datei, ein Netzwerk-Endpunkt oder eine Prozess-Kommunikation sein.

Das Betriebssystem verwaltet die offenen Dateien anhand der Dateideskriptoren und implementiert Lese- und Schreiboperationen.

Die Unterscheidung, welches Gerät hinter einer Datei steckt, erledigt das Betriebssystem mithilfe von Treibern.

Das «Everything is a file»-Prinzip sorgt für eine einheitliche und einfache Schnittstelle für Programme, die so auf diverse Ressourcen zugreifen können.

Betriebssysteme, die eine eingeschränkte Funktionalität bieten, aber einfacher und bei Bedarf verifizierbar sind. Sie werden häufig in Spezialanwendungen eingesetzt.

Die Art und Weise, wie ein Betriebssystem mit Anwendern und Programmen interagiert. Es gibt verschiedene Betriebsarten, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen.

Ein Betriebssystem, das Programme nacheinander abarbeitet, ohne Nutzerinteraktion. Diese Art von Betriebssystemen wurde früher in großen Rechenanlagen eingesetzt.

Ein Betriebssystem, das Interaktion mit dem Benutzer ermöglicht, z. B. über eine grafische Benutzeroberfläche. Die meisten modernen Betriebssysteme sind Dialogbetriebssysteme.

Ein Betriebssystem, das für die Verarbeitung von Transaktionen in Datenbanken optimiert ist. Es erfüllt die ACID-Kriterien, um die Integrität der Daten zu gewährleisten.

Ein Betriebssystem, bei dem die Reaktionszeit des Systems entscheidend ist. Es wird in Echtzeitsystemen eingesetzt, die schnell reagieren müssen, z. B. in der Robotik.

Ein Betriebssystem, das in der Lage ist, Aufgaben priorisiert auszuführen und Ressourcen effizient zu verteilen. Dies ist wichtig für die Performance von Servern und anderen Hochleistungssystemen.

Die zeitliche Grenze, innerhalb derer eine Aufgabe in einem Echtzeitsystem ausgeführt werden muss. Hard-Deadlines dürfen nicht überschritten werden, da dies zu schwerwiegenden Fehlern führen kann.

Die C-Standardbibliothek beinhaltet Funktionen wie "open", "read", "write" und "close", die als Wrapper fungieren, indem sie einfach Systemaufrufe an das Betriebssystem weiterleiten.

Ein Systemaufruf ist ein Mechanismus, mit dem ein Programm eine Anforderung an das Betriebssystem stellt.

Durch Auslösen eines Interrupts, der die Kontrolle an das Betriebssystem übergibt, wird ein Systemaufruf ausgeführt.

Das Betriebssystem identifiziert die Art des Systemaufrufs anhand der Informationen in den Registern.

Ein Dateideskriptor ist eine eindeutige Nummer, die einem bestimmten File oder einem Netzwerk-Socket zugeordnet ist.