Einführung in Betriebssyteme

von Prof. Jürgen Plate

Was ist ein Betriebssystem

Unter einem Betriebssystem (engl. operating system) versteht man Software, die zusammen mit dem Hardwareeigenschaften des Computers die Basis zum Betrieb bildet und insbesondere die Abarbeitung von Programmen steuert und überwacht.

Vereinfacht gesagt, macht das Betriebssystem die Benutzung des Computers erst möglich. Im folgenden werden Einordnungs- und Bewertungskriterien besprochen.

1.1 Grundlagen, Systemschnittstelle

Nach DIN 44300 umfaßt ein Betriebssystem:

Die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften dieser Recheanlage die Basis der möglichen Betriebsarten des Rechensystems bilden und die insbesondere die Abwicklung von Programmen steuern udn überwachen.

Ein Betriebssystem hat folgende grundlegende Aufgaben:

Verbergen der Komplexität der Maschine vor dem Anwender (Abstraktion)
Bereitstellen einer Benutzerschnittstelle ("Kommandointerpreter", "Shell")
Bereitstellen einer normierten Programmierschnittstelle (API)
Verwaltung der Resourcen der Maschine
- Prozessor(en)
- Hauptspeicher
- Hintergrundspeicher (Platte, Band, etc.)
- Geräte (Terminal, Drucker, Plotter, etc.)
- Rechenzeit
Koordination von Prozessen

1.2 Klassifizierung von Betriebssystemen

Die erste Computergeneration (ca. 1945-1955) besaß kein Betriebssystem.

Programmierung direkt (Steckbrett, Lochstreifen, Lochkarte)
Keine Programmiersprachen

Die zweite Generation (ca. 1955-1965) arbeitete mit Stapelverarbeitung. Ein Auftrag wird in geschlossener Form, bestehend aus Programm, Daten und Steueranweisungen, zusammengestellt. Die Resultate erhält der Benutzer erst nach Abschluß der Bearbeitung zurück (meist als Ausdruck).

Batch-Betrieb (Lochkarten)
Einfache Job-Control-Sprachen
Programmiersprachen (Assembler, Fortran, etc.)
Magnetbänder als Zwischenspeicher

Die dritte Generation (ca. 1965-1980) beherrscht Dialogverarbeitung. Der Benutzer kommuniziert mit dem Computer über Tastatur und Bildschirm, mit deren Hilfe er Programme starten, verfolgen und beeinflussen kann.

Multiprogramming = Mehrprogrammbetrieb = Mehrere Programme gleichzeitig im Speicher quasisimultane, zeitlich verschachtelte Bearbeitung auf der Auftragsebene.
Hauptspeicheraufteilung für mehrere Programme
Zeitliche Verschachtelung der Programme (z.B.: Prog. A wartet auf Ausgabe, Prog. B rechnet) --> Timesharingbetrieb mit Terminals
SPOOLING (simultaneous peripheral operation on line) direktes Speichern von Rechenaufträgen auf der Platte, "Selbstbedienung" des BS
MULTICS als UNIX-Vorgänger
1969 das erste UNIX

Die vierte Generation (ab ca. 1975) ist ein Dialogsystem, wie wir es heute kennen.

UNIX und C
Multitasking als quasisimultane Ausführung weitgehend unabhängiger Programmabschnitte innerhalb eines Auftrags.
Personal Computer (CP/M, MS-DOS, etc.)
Netzwerkbetriebssysteme (Kommunikation mehrerer Computer)
verteilte Betriebssysteme (mehrere Prozessoren = Multiprocessing) Mehrere Prozessoren bilden ein Computersystem --> Mehrere Programme werden von verschiedenen Prozessoren bearbeitet oder ein Programm von mehreren Prozessoren.

Bei bestimmten Betriebssystemen spielt auch die Verarbeitungszeit eine Rolle. Bei Realzeit-(Echtzeit-)Betriebssystemen für Steuerungs- und Regelungsaufgaben (sog. Prozeßrechner) spielt die Antwortzeit eine Rolle. Informationen werden hier zum Teil von elektronischen Meßwandlern (Sensoren) gewonnen. Das Programm reagiert auf äußere Ereignisse in angemessen kurzer Zeit (Maschinenregelung: 1 - 10 ms, Prozeßregelung: 10 - 100 ms, Prozeßsteuerung: 0,1 - 1 s). Es wird spezielle Hard- und Software benötigt.

Betriebssysteme lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien klassifizieren:

Kassifizierung nach der Betriebsart des Rechnersystems

Stapelverarbeitungs-Betriebssysteme (batch processing)

Dialogbetrieb-Betriebssysteme (interctive processing, dialog processing)

Netzwerk-Betriebssysteme (network processing)

Realzeit-Betriebssysteme (realtime-processing)

Universelle Betriebssysteme (erfüllen mehrere Kriterien)

Klassifizierung nach der Anzahl der gleichzeitig laufenden Programme:

In dieser Klassifikation kommt der Begriff "Task" vor. Alternativ kann der deutsche Begriff "Prozeß" Verwendung finden. Aus Anwendersicht kann an dieser Stelle auch der Begriff "Aufgabe"bzw. "Auftrag" verwendet werden.

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:

Es geht jedoch nicht darum, wieviel Prozessoren allgemein in einem Rechner verwendet werden, sondern wieviel Universalprozessoren für die Verarbeitung der Daten zur Verfügung stehen.
Somit ergibt sich folgende Unterscheidung:

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

Zur logischen Strukturierung wird das Betriebssystem normalerweise in mehrere Schichten oder Schalen eingeteilt. Die unterste Schale beinhaltet alle hardwareabhängigen Teile des Betriebssystems, insbesondere auch die Verarbeitung von Interrupts. Auf diese Weise ist es möglich, das BS leicht an unterschiedliche Rechnerausstattungen anzupassen. Die nächste Schicht enthält die grundlegenden Ein-/Ausgabe-Dienste für Plattenspeicher und Peripheriegeräte. Die darauffolgende Schicht behandelt Kommunikations- und Netzwerkdienste, Dateien und Dateisysteme. Weitere Schichten können je nach Anforderung folgen. Ein Betriebssystem besitz als drei oder mehr logische Schichten.

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).

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 Resourcen (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 Rechnerkostellation 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.

1.4 Warum Multitasking mehr Rechnerleistung bringt

Man möchte annehmen, daß bei mehreren quasiparallel laufenden Programmen die reale Laufzeit für jedes einzelne Programm länger ist als wenn nur ein Programm auf dem Rechner laufen würde. Nehmen wir der Einfachheit halber an, daß jeder Prozeß dieselbe Laufzeit zugeteilt bekommt und auch jeder regelmäßig an die Reihe kommt.

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 transportiert wurden. Wie Sie 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.

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