Betriebssystem (operating system)

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1 Betriebssystem (operating system) 1. Einführung Unter einem Betriebssystem versteht man ein Bündel von Softwareprogrammen, mit denen die grundlegenden Funktionen eines Rechners realisiert werden. Zu seinen Aufgaben gehört: Verwaltung und Verteilung der Ressourcen (CPU, Speicher) und der Peripheriegeräte (Tastatur, Maus, Drucker etc.) Ausführung, Zusammenwirken und Schutz der Benutzerprogramme Verbindung zwischen Betriebssystem und Hardware: BIOS und Treiber stellen die Brücken zwischen der Hardware und dem Betriebssystem eines Rechners dar. Hardware und Betriebssystem für IBM-kompatiblen PC BIOS: Ein fester Bestandteil der Hardware eines IBM-kompatiblen PC s ist der BIOS-Chip (basic input output system), in welchem Basis-Software gespeichert ist. Diese enthält: Interrupts: grundlegende und sehr elementare Hilfsprogramme zur Ansteuerung der Hardwarekomponenten wie Tastatur, Maus Festplatte und Grafikcontroller Programme, die nach dem Einschalten des Rechners ( booten ) ausgeführt werden: Prüfung, welche Geräte angeschlossen sind, Funktionstest des Speichers, Laden des Betriebssystems (von der Festplatte, von der Diskette oder CD), Starten des Betriebssystems. Parameter des BIOS lassen sich über das BIOS-Setup verändern (drücken der Entf- bzw. F2-Taste kurz nach dem Einschalten). BIOS wird beim Start in den Hauptspeicher geladen. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

2 Treiber: Treiber sind Übersetzungsprogramme zur Ansteuerung einer Hardwarekomponente. Treiber für gängige Geräte sind meist schon im Betriebssystem vorhanden, andernfalls werden sie mit einem eigenen Installationsprogramm (setup.exe) installiert. Aufgaben eines Multitasking-Betriebssystems: Schutz der Speicherbereiche der gleichzeitig im Hauptspeicher laufenden Programme Steuerung für abwechselnde Benutzung der CPU Zuteilung eines Peripheriegerätes nach Bedarf und zeitlich begrenzt Zentrale Bestandteile des Betriebssystems sind: Prozessverwaltung Speicherverwaltung Dateiverwaltung Prozessverwaltung Moderne Betriebssysteme sind alle Multitasking fähig, d.h. mehrere Prozesse laufen parallel (gleichzeitig) auf dem Rechner und teilen sich dessen Ressourcen. Dabei dürfen diese sich nicht gegenseitig stören. Task: Ein ablauffähiges oder im Ablauf befindliches Programm bezeichnet man als Prozess oder engl. Task (vgl. Task-Manager bei WindowsXP). Jeder Task nimmt einen eigenen Bereich im Arbeitsspeicher ein, der vor dem Zugriff durch andere Tasks geschützt werden muss. Steuerung der CPU: Auf einem Rechner mit genau einer CPU ist höchstens ein Prozess zu jedem Zeitpunkt aktiv. Es ist nicht wirklich möglich, dass mehrere Prozesse gleichzeitig laufen. Für die Verwaltung der CPU hat das BS verschiedene Möglichkeiten. kooperatives Multitasking mit Prioritätssteuerung: (bei Windows 3.x) Die einfachste Methode zur Verwaltung der CPU besteht darin, Prozessen eine Priorität zuzuordnen und jeweils dem rechenwilligen Prozess höchster Priorität die CPU zu geben, so lange bis dieser nicht mehr rechenwillig ist (d.h. freiwillig den Prozessor freigibt) oder ein anderer Prozess höherer Priorität bereit ist. Der Taskwechsel findet in diesem Fall kooperativ statt. Nachteil: Ein nicht kooperatives Programm (z.b. mit Endlosschleife) kann den ganzen Rechner zum Stillstand bringen. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

3 preemptives Multitasking mit Prioritätssteuerung: (bei Unix, Linux, ab Windows NT) Bei moderneren Verfahren hängt die Zuteilung des Betriebsmittels CPU nicht allein von der Priorität ab, sondern jedem rechenwilligen Prozess steht per Zeitmultiplex die CPU für eine bestimmte Zeit zur Verfügung. Prozesse höherer Priorität erhalten die CPU öfter. Diese Methode der Zuteilung des Betriebsmittels CPU in regelmäßigen Zeitabständen nennt man Zeitscheibenverfahren (engl. time sharing). Die Maximalzeit, die der laufende Prozess ohne Unterbrechung durch das Betriebssystem rechnen darf, wird Zeitscheibe genannt. Round-robin Verfahren (engl. für Ringelreihen): Einfache Zeitscheibenzuteilung für rechenwillige Prozesse Die rechenwilligen Prozesse (- jene, die gestartet wurden -) sind in einer zyklischen Liste angeordnet. Sie kommen in einem bestimmten Turnus an die Reihe und erhalten eine Zeitscheibe. Die Verwaltung der Liste erfolgt durch den sog. Scheduler, der selbst als einer der Prozesse betrieben wird, einmal pro Rundenlauf aktiv ist und den Ablauf der anderen Prozesse plant. Speicherverwaltung Alle gleichzeitig betriebenen Prozesse benötigen im Arbeitsspeicher eigene Speicherbereiche. Reicht der Arbeitsspeicher des Rechners nicht aus, kann es notwendig sein, dass das gesamte Speicherabbild eines gerade angehaltenen (suspendierten) Prozesses auf der Festplatte als Datei zwischengespeichert werden muss. Man spricht dann davon, dass dieser Prozess verdrängt oder ausgelagert wird. Das BS reserviert auf der Festplatte dafür einen festen Speicherbereich (Auslagerungsdatei). Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

4 Programmcode Daten Registerinhalte Speicherabbild eines Prozesses Offene Dateien Verfahren zur Speicherverwaltung: Swapping (engl. to swap = tauschen): Beim Swapping besteht das Speicherabbild eines Prozesses aus Segmenten, die jeweils einen zusammenhängenden Bereich im Speicher einnehmen. Beim Start oder bei Reaktivierung des Prozesses müssen alle Segmente immer vollständig im Arbeitsspeicher vorhanden sein. Um Platz zu schaffen, werden die Speichersegemente suspendierter Prozesse in die auf der Festplatte reservierten Datei ( swap space ) ausgelagert. Nachteile: Hohe Transferrate zwischen Platte und Arbeitsspeicher Zuweisbarer Arbeitsspeicher kann zu klein für einen Prozess sein. Paging (engl. page = Seite): Beim Paging wird das Speicherabbild eines Prozesses in Speicherseiten einer vorgegebenen Größe (z.b. 4kBytes) aufgeteilt. Nur die wirklich benötigten Speicherseiten müssen im Arbeitsspeicher geladen sein, während der Prozess läuft. Alle anderen Seiten sind in der paging area auf der Festplatte abgelegt (sog. virtueller Speicher). Wenn während der Prozessbearbeitung eine nicht geladene Seite adressiert wird, muss die fehlende Seite nachgeladen werden. Der Prozessor muss dabei über eine virtuelle Adressierungstechnik (virtuelle Speicherverwaltung) verfügen, damit die nicht im Arbeitspeicher (sondern im virtuellen Speicherbereich) vorhandene Seite über ihre Adresse gefunden wird. Bei einem System mit 32-Bit-Adressen ist der adressierbare Speicherbereich max. 4GByte. (Das Speichabbild eines Prozesses kann demnach also max. 4GByte groß sein.) Vorteile: Prozesse müssen nicht komplett speicherresident sein, um ablaufen zu können. Programme können, unabhängig von der Größe des realen Hauptspeichers den vollen virtuellen Adressraum (4 Gigabytes) benutzen, sofern genügend Plattenspeicher existiert. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

5 Dateiverwaltung Das Dateisystem stellt Dateien als Behälter für Daten aller Art zur Verfügung und übernimmt die Speicherung der Dateien und ihrer Namen in bestimmte Spuren bzw. Sektoren auf Speichermedien (z. B. Festplatte). Hierarchische Organisation der Dateien Dateien können in einem Ordner, auch Verzeichnis (engl. directory ) genannt, zusammengefasst werden. Verzeichnisse werden selber wieder in Verzeichnissen gespeichert, so dass ein hierarchisches Dateisystem oder ein sog. Dateibaum entsteht. Die Blätter des Dateibaums sind die normalen Dateien, die Knoten sind Verzeichnisse. Die Schachtelungstiefe von Verzeichnissen ist unbegrenzt. Steuerung der Zugriffe auf Dateien Das Dateisystem steuert die Umsetzung eines lesenden oder schreibenden Zugriffs auf eine Datei in entsprechende Aktionen der Festplatte. Das Dateisystem verwaltet eine Datei als Folge von Blöcken fester Größe (häufig 512 Bytes). 2. Bekannte Betriebssysteme Betriebssysteme für PCs: DOS, MS-DOS veraltet (disk operating system ) Windows 3.1, Windows 95/98 veraltet (Nachteil: Zwang zur Abwärtskompatibilität zu DOS) OS/2 Warp veraltet MacOS speziell für Macintosh Rechner der Fa. Apple Windows NT/2000/XP LINUX Betriebssysteme für Großrechner: UNIX BS 2000 (Siemens-Rechner) VM/SP (IBM-Rechner) Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

6 Merkmale einzelner Systeme UNIX: 1973 in Bell Laboratories entwickelt (AT&T von Ritchie und Thompson) Multiuser-,Mutlitasking Fähigkeit Multisession Fähigkeit: Mehrere Benutzer arbeiten am selben Rechner, benutzen denselben Speicher und dieselbe CPU. portabel : Während DOS nur auf Intel-kompatiblen Prozessoren läuft, kann UNIX auf fast allen Hardware-Plattformen eingesetzt werden. Prozess-Steuerung: Der Benutzer kann die Abarbeitung seiner Prozesse durch spezielle Kommandos beeinflussen. hierarchische Prozesskonzept und Dateisystem mit individuellen Zugriffsrechten. MS-DOS: 1979 entwickelt, kennt nur einen einzigen Benutzer Einprogrammbetrieb. Hierarchisches Dateisystem (Dateibaum) WINDOWS: Betriebssystem der Fa. Microsoft für Personalcomputer Versionen vor Windows /98 basierten alle auf MS-DOS. Ab Version Windows NT (NT/2000/XP) komplett eigenständiges Betriebssystem. Windows NT/2000/XP: 32-Bit- Multitasking System Auf vielen Prozessortypen lauffähig (nicht mehr an Intel-Prozessoren gebunden), insbesondere auf Multiprozessorsystemen. Multi-user-System Netzwerkunterstützung WindowsXP: System für alle PC-Leistungsklassen vom Notebook über Desktop-Modelle bis hin zu High-End-PC s und Server. Zwei Ausgaben: XP Home-Edition und XP Professional sind gleich umfangreich und leistungsfähig. Eine der wenigen Unterschiede ist die fehlende Benutzerverwaltung in der Home-Edition. Schnelle Anbindung an Peripherie über USB2 und Firewire Netzwerkkomponenten sind integriert: Internet, LAN, WLAN Multimediatechnologie, z.b. DirectX Version 9 Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

7 Dynamische Erkennung von Änderungen der Konfiguration: Plug and Play funktioniert richtig. LINUX: UNIX-ähnliches BS für PC s 1994 erschien die Version 1.0 des Linux-Kernels (entwickelt von Linus Torvalds, Uni Helsinki) Frei verfügbares Betriebssystem, wird von vielen Idealisten ständig weiterentwickelt, wobei Linus Torvalds die Koordination für den LINUX-Kern übernimmt. Stabiles ausgereiftes System mit grafischer Benutzeroberfläche und voller Netzwerkunterstützung explosionsartig zunehmende Softwarebasis von professioneller Qualität Linux wird in so genannten Distributionen vertrieben in Form von CD-ROMs. Distrubution können über SuSE (Deutschland) oder Red Hat (USA) (Caldera ist eine aufgewertete RedHat Distribution, Slackware). Eine Distribution enthält neben dem LINUX-Kern noch eine Vielzahl von frei verfügbaren Hilfsprogrammen, Compilern, Fenstersystem X-Windows und Office-Applicationen., C-Compiler xwpe. Nicht zu verwechseln mit Distributionen sind Server-Spiegelungen (bei SuSE). Eine Server-Spiegelung ist eine Kopie aller Linux-spezifischen Dateien von Internet- Servern mit Linux-Software. Die Installation erfordert Handarbeit und setzt ein gewisses Linux-Grundwissen voraus. Kein Handbuch und keine Supportberechtigung. Distribution Knoppix: Linux-Betriebssystem und alle wichtigen Applikationen (KDE_Desktop Bedienoberfläche, Browser, Compiler, OpenOffice Bürosystem, Spiele) sind auf einer CD untergebracht. Man kann das System von dieser CD booten und gleich loslegen es muss nicht installiert werden. Auf diese Weise ist ein unverbindliches Ausprobieren möglich. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,