Was ist ein Betriebssystem

Klassifizierung nach der Anzahl der gleichzeitig laufenden Programme:

• Einzelprogrammbetrieb (singletasking)
  Ein einziges Programm läuft jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt. Mehrere Programme werden nacheinander ausgeführt.
• Mehrprogrammbetrieb (multitasking)
  Mehrere Programme werden gleichzeitig (bei mehreren CPUs) oder zeitlich verschachtelt, also quasi-parallel, bearbeitet.

Klassifizierung nach der Anzahl der gleichzeitig am Computer arbeitenden Benutzer:

• Einzelbenutzerbetrieb (singleuser mode)
  Der Computer steht nur einem einzigen Benutzer zur Verfügung.
• Mehrbenutzerbetrieb(multiuser mode)
  Mehrere Benutzer teilen sich die Computerleistung, sie sind über Terminals oder Netzwerkverbindungen mit dem Computer verbunden.

Klassifizierung nach der Anzahl der verwalteten Prozessoren bzw. Rechner:

• Ein-Prozessor-Betriebssystem
  Die meisten Rechner, die auf der von-Neumann-Architektur aufgebaut sind, verfügen über nur einen Universalprozessor. Aus diesem Grund unterstützen auch die meisten Betriebssysteme für diesen Anwendungsbereich nur einen Prozessor.
• Mehr-Prozessor-Betriebssystem
  Für diese Klassifizierung der Betriebssysteme ist noch keine Aussage über die Kopplung der einzelnen Prozessoren getroffen worden. Auch gibt es keinen quantitativen Hinweis über die Anzahl der Prozessoren, nur, daß es mehr als ein Prozessor ist. Für die Realisierung der Betriebssysteme für die Mehrprozessorsysteme gibt es zwei Herangehensweisen:
  • Jedem Prozessor wird durch das Betriebssystem eine eigene Aufgabe zugeteilt. D.h., es können zu jedem Zeitpunkt nur soviel Aufgaben bearbeitet werden, wie Prozessoren zur Verfügung stehen. Es entstehen Koordinierungsprobleme, wenn die Anzahl der Aufgaben nicht gleich der Anzahl verfügbarer Prozessoren ist.
  • Jede Aufgabe kann prinzipiell jedem Prozessor zugeordnet werden, die Verteilung der Aufgaben zu den Prozessoren ist nicht an die Bedingung gebunden, daß die Anzahl der Aufgaben gleich der Anzahl Prozessoren ist. Sind mehr Aufgaben zu bearbeiten, als Prozessoren vorhanden sind, so bearbeitet ein Prozessor mehrere Ausgaben "quasi-parallel". Sind mehr Prozessoren als Aufgaben vorhanden, dann bearbeiten mehrere Prozessoren eine Aufgabe.
  Das Betriebssystem kann dabei seinerseits auch auf mehrere Prozessoren verteilt sein. Man spricht dann von "verteilten Betriebssystemen".

1.3 Architektur des Betriebssystems

Jede Schicht bildet eine abstrakte (virtuelle) Maschine, die mit ihren benachbarten Schichten über wohldefinierte Schnittstellen kommuniziert. Sie kann Funktionen der nächstniedrigeren Schicht aufrufen und ihrerseits Funktionen für die nächsthöhere Schicht zur Verfügung stellen. Die Gesamtheit der von einer Schicht angebotenen Funktionen wird auch als "Dienste" dieser Schicht bezeichnet. Die Gesamtheit der Vorschriften, die bei der Nutzung der Dienste einzuhalten sind, wird als "Protokoll" bezeichnet.

Die unterste Schicht setzt immer direkt auf der Rechner-Hardware auf. Sie verwaltet die realen Betriebsmittel des Rechners und stellt stattdessen virtuelle Betriebsmittel bereit. Oft wird diese Schicht als "BIOS" (Basic I/O-System) bezeichnet. Alle weiteren Schichten sind von der Hardware unabhängig.

Durch jede Schicht wird eine zunehmende "Veredelung" der Hardware erreicht (z. B. wachsende Abstraktion, wachsende Benutzerfreundlichkeit).

Die frühen Computer (Großrechner, "Mittlere Datentechnik") zeichneten sich dadurch aus, dass Hardware und Betriebssystem vom gleichen Hersteller kamen und optimal aufeinander abgestimmt waren. Bei den heutigen PCs ist dies nur noch beim Macintosh von Apple der Fall. Bei Personal Computern auf Basis von Intel-Prozessoren kommen Hardware und Betriebssystem von unterschiedlichen Herstellern, auch wenn das Betriebssystem vielfach zusammen mit der Hardware ausgeliefert wird. So hat man die Wahl zwischen Betriebssystemen von Microsoft (Windows 98/ME, Windows 2000, Windows XP, usw.) oder freien UNIX-Implementierungen (Free BSD, Linux). Da Zusatz-Steckkarten und Peripheriegeräte (Drucker, Scanner, usw.) von den verschiedensten Herstellern kommen, liefern diese auch meist die Betiebssystem-Anpassung in Form von Treibern, die beim Laden des Betriebssystems ("Bootstrap") mit eingebunden werden.

Durch die Programmierschnittstelle (API, Applications Programmers Interface) der höheren Schichten wird auch vermieden, daß jeder Programmierer die grundlegenden Routinen für den Zugriff auf Ein-/Ausgabegeräte und Massenspeicher selbst programmieren muß. Das BS stellt also eine definierte Programmierschnittstelle zur Verfügung. Änderungen am BS oder der Hardware wirken sich so nicht auf die Anwenderprogramme aus, die nach wie vor über die gleichen Betriebssystem-Aufrufe die Dienste des BS in Anspruch nehmen.

Bei Einzelbenutzer-Singletaskingsystemen können Anwenderprogramme die Schichtenstruktur durchbrechen und z. B. direkt auf einer bestimmten Hardwarekomponente aufsetzen. Bei Mehrbenutzer- oder Multitaskingsystemen ist dies nicht möglich, das hier der Schutz der einzelnen Ressourcen (CPU, Platte, Ein-/Ausgabe, usw.) für jedes Programm vor Beeinflussung durch andere Programme gewährleistet werden muß. Hier ist eine streng hierarchische Kommunikation nötig, die nur zwischen zwei benachbarten Schichten zulässig ist.

Bedenkt man, daß heutige Rechnersysteme sich selbst innerhalb einer Rechnerfamilie vielfältig in Speicherausstattung, Art und Umfang der angeschlossenen Geräte unterscheiden, so wird klar, daß die Erstellung monolithischer Programme für jede mögliche Rechnerkonstellation ein praktisch undurchführbares Unternehmen ist. Die Lösung dieses Problems heißt hier: Modularisierung.

Programme werden in Module zerlegt, die zueinander über definierte Schnittstellen in Beziehung stehen. Somit ist es möglich, innerhalb eines Programmes einen Modul durch einen anderen mit gleicher Schnittstelle zu ersetzen, um das Programm an eine andere Rechnerkonstellation anzupassen. Die Auswahl und Zusammenstellung der allgemeingültigen Module wird bestimmt durch die eingesetzte Hardware und die Art der Programme, die durch diese Module unterstützt werden sollen. Sie ist für viele Programme, die auf einem Rechner abgearbeitet werden sollen, gleich und unterscheiden sich wiederum etwas von Rechner zu Rechner.

Oft taucht in Zusammenhang mit Betriebssystemen auch der Begriff "Middleware" auf. Er bezeichnet zwischen den eigentlichen Anwendungen und der Betriebssystemebene angesiedelte System- und Netzwerk-Dienste (z.B. Datenbank, Kommunikation, Protokollierung, Sicherheit). Sie ist als Applikationsschicht eine Dienstleistungsschicht, die anstelle der Betriebssystemschnittstelle verwendet wird. Middleware-Systeme ermöglichen die Verteilung von Applikationen auf mehrere Rechner im Netzwerk. Die Verteilung ist objektorientiert: Server exportieren ihre Dienste als Klassenschnittstellen, Clients benutzen entfernten Methodenaufruf zum Zugriff auf die Dienste. Die Bindung kann statisch oder dynamisch erfolgen.

1.4 Warum Multitasking mehr Rechnerleistung bringt

Wenn man dieses Bild betrachtet, dauert freilich jedes Programm länger, denn die Zeit wird ja zwischen den Programmen geteilt. In der Praxis ist es jedoch so, daß Programme oftmals auf äußere Ereignisse warten müssen, z. B. bis eine Tasteneingabe getätigt wurde oder bis Daten von der Platte in den Speicher später sehen werden, kann ein Programm, das auf ein externes Ereignis wartet, in einen Wartezustand versetzt werden und inzwischen können andere Programme weiterarbeiten. Bei einem Multitasking-Betriebssystem kann der Rechner Datenbanken indizieren, Dokumente drucken, E-Mail absenden, usw. während Sie über den nächsten Zug gegen das Schachprogramm nachdenken.

Copyright © FH München, FB 04, Prof. Jürgen Plate