Betriebssystem

topic - Kurzbeschreibung

Beschreibung

Ein Betriebssystem, auch OS (von ) genannt, ist eine Zusammenstellung von Computerprogrammen, die die Systemressourcen eines Computers wie Arbeitsspeicher, Festplatten, Ein- und Ausgabegeräte verwaltet und diese Anwendungsprogrammen zur Verfügung stellt. Das Betriebssystem bildet dadurch die Schnittstelle zwischen den Hardware-Komponenten und der Anwendungssoftware des Benutzers.

Betriebssysteme bestehen in der Regel aus einem Kernel (deutsch: Kern), der die Hardware des Computers verwaltet, sowie speziellen Programmen, die beim Start unterschiedliche Aufgaben übernehmen.
Zu diesen Aufgaben gehört unter anderem das Laden von Gerätetreibern.
Betriebssysteme finden sich in fast allen Arten von Computern: Als Echtzeitbetriebssysteme auf Prozessrechnern und eingebetteten Systemen, auf Personal Computern, Tabletcomputern, Smartphones und auf größeren Mehrprozessorsystemen wie z. B. Servern und Großrechnern.

Die Aufgaben eines Betriebssystems lassen sich wie folgt zusammenfassen: Benutzerkommunikation; Laden, Ausführen, Unterbrechen und Beenden von Programmen; Verwaltung und Zuteilung der Prozessorzeit; Verwaltung des internen Speicherplatzes für Anwendungen; Verwaltung und Betrieb der angeschlossenen Geräte; Schutzfunktionen z. B.

durch Zugriffsbeschränkungen.
Die Gewichtung zwischen diesen Aufgaben wandelte sich im Laufe der Zeit, insbesondere wird Schutzfunktionen wie dem Speicherschutz oder begrenzten Benutzerrechten heute eine höhere Bedeutung zugemessen als noch in den 1990er Jahren.
Dies macht Systeme allgemein robuster, reduziert z. B.
die Zahl der Programm- und Systemabstürze und macht das System auch stabiler gegen Angriffe von außen, etwa durch Computerviren.

Dieser Artikel behandelt den Begriff „Betriebssystem“ hauptsächlich im Kontext „allgemein zur Informationsverarbeitung verwendete Computersysteme“.

Daneben sind Betriebssysteme (mit ggf.
spezialisierter Funktionalität) grundsätzlich in nahezu allen Geräten im Einsatz, in denen Software betrieben wird (wie Spielecomputer, Mobiltelefone, Navigationssysteme, Maschinen der Maschinenbaubranchen u. v. a.).
Auch viele Steuerungssysteme (eingebettetes System) die z. B.
in Flugzeugen, Autos, Zügen, oder in Satelliten zu finden sind, besitzen spezialisierte Betriebssysteme.

Definitionen und Abgrenzung

Ein Betriebssystem übernimmt zwei wesentliche Aufgaben, die im Grunde in keinem direkten Zusammenhang zueinander stehen:

Die eine Aufgabe besteht darin, dem Anwendungsprogrammierer saubere Abstraktionen der Betriebsmittel zur Verfügung zu stellen (anstelle der unschönen Hardware).
Das Betriebssystem bietet somit eine leichter verständliche und besser handhabbare Schnittstelle zur eigentlichen Maschine an und „versteckt“ die Komplexität der darunterliegenden Maschine: „Der Ansprechpartner für den Programmierer ist also nicht mehr die wirkliche Maschine, sondern eine virtuelle Maschine (Betriebssystem), welche wesentlich einfacher zu verstehen und zu programmieren ist.“

Das Betriebssystem erzeugt abstrakte Objekte, um die Komplexität beherrschbar zu machen.

Ein Beispiel für eine solche Abstraktion ist die Datei.
Diese kann beispielsweise in Form eines Digitalfotos, einer gespeicherten E-Mail-Nachricht oder einer Website vorliegen.
Es ist auf jeden Fall einfacher, sich damit zu beschäftigen, als mit den Details von Festplattenspeichern.
Die andere Aufgabe besteht darin, die Hardwareressourcen zu verwalten: „Ein Betriebssystem muss eine geordnete und kontrollierte Zuteilung von Prozessoren, Speichereinheiten und Peripheriegeräten unter den verschiedenen Programmen, welche darum konkurrieren, sicherstellen.“

Das Betriebssystem ordnet und kontrolliert die Allokation der Prozessoren, Speicher und Ein-/Ausgabegeräte und überwacht, welches Programm gerade welches Betriebsmittel nutzt.

Liegen beispielsweise mehrere Aufträge für einen Drucker vor, so muss festgelegt werden, wie diese abgearbeitet werden.
Auf einem modernen Betriebssystem können dadurch auch mehrere Programme gleichzeitig ausgeführt werden.
Benutzen mehrere Anwender einen Computer oder ein Netzwerk, dann gewinnen Maßnahmen zur Verwaltung und zum Schutz von Speicher, Ein-/Ausgabegeräten und anderen Betriebsmitteln noch an Bedeutung.
Die Benutzer würden sich sonst gegenseitig stören.

Die Gesamtheit aller Programme und Dateien, die sämtliche Abläufe bei Betrieb eines Rechners steuern, wird Systemsoftware genannt.

Dazu gehören Betriebssysteme, aber auch systemnahe Software wie Compiler, Interpreter und Editoren.
Anwendungssoftware wie beispielsweise Browser oder Buchhaltungssoftware benutzen die Systemsoftware für einen ordnungsgemäßen Ablauf.
In der Literatur wird der Begriff „Betriebssystem“ innerhalb der Systemsoftware unterschiedlich breit interpretiert.

In der DIN-Sammlung 44300 (veraltet, ersetzt durch ISO/IEC 2382:2015 siehe: Liste der DIN-Normen/DIN 1–49999 unter DIN 44300) geht die Definition von seiner Aufgabe und Stellung in einer Programmhierarchie aus:

Zitat

|Text=Das Betriebssystem wird gebildet durch die Programme eines digitalen Rechensystems, die zusammen mit den Eigenschaften der Rechenanlage die Grundlage der möglichen Betriebsarten des digitalen Rechensystems bilden und insbesondere die Ausführung von Programmen steuern und überwachen.
|Autor=DIN 44300

Für [[Andrew S.

Tanenbaum]] beschränkt sich der Begriff Betriebssystem im Wesentlichen auf den Kernel: „Editoren, Compiler, Assembler, Binder und Kommandointerpreter sind definitiv nicht Teil des Betriebssystems, auch wenn sie bedeutsam und nützlich sind.“

Viele Lehrbücher folgen dieser engeren Sichtweise.

Andere Autoren zählen unter anderem auch eine Kommandosprache zum Betriebssystem: „Außer die Hardware zu verwalten […], bieten moderne Betriebssysteme zahlreiche Dienste an, etwa zur Verständigung der Prozesse untereinander, Datei- und Verzeichnissysteme, Datenübertragung über Netzwerke und eine Befehlssprache.“

Eine noch weitere Fassung des Begriffes, die beispielsweise auch Editoren und Compiler umfasst, geht zum Teil auf ältere Werke des deutschen Sprachraums zurück, lässt sich aber auch in aktueller Literatur noch finden.

So zählen die Autoren des Informatik-Dudens auch Übersetzungsprogramme und Dienstprogramme zu den wesentlichen Komponenten eines Betriebssystems.
In jüngerer Zeit kann der GNU/Linux-Namensstreit als Beispiel für die Abgrenzungsprobleme angesehen werden.

Der Begriff des Betriebssystems ist in Artikel 3 der Richtlinie (EU) 2019/882 legal definiert.

Ungeachtet dessen, wie weit oder wie eng man den Begriff „Betriebssystem“ fasst, enthalten die Installationsmedien für Betriebssysteme für gewöhnlich zusätzliche Dienst- und Anwendungsprogramme.

Entwicklungsstufen

Die Entwicklung von Computer-Betriebssystemen verlief und verläuft parallel zur Entwicklung und Leistungsfähigkeit verfügbarer Hardware: Beide Linien bedingten sich gegenseitig und ermöglichten bzw.

erforderten Weiterentwicklungen auf der ‚anderen‘ Seite.
Die Entwicklung verlief zum Teil in kleinen, manchmal in größeren Sprüngen:

Lochkarten verarbeitende Systeme (gilt sinngemäß auch für Lochstreifen) gehören mittlerweile (seit Anfang der 1970er Jahre) der Vergangenheit an.

Jedoch sind sie ein guter Ansatz zur Betrachtung der Systementwicklung: In diesen räumlich relativ großen Systemen gab es noch keine externen elektronischen Speichermedien.
Die Programme lagen (in Maschinensprache) in Form von Lochkartenstapeln vor und wurden durch den Operator über den Lochkartenleser in den internen Speicher ‚eingelesen‘.
Nach der „Ende-Karte“ wurde das Anwendungsprogramm gestartet, das seine Eingabedaten je nach Aufgabenstellung ebenfalls über den Kartenleser lesen (deshalb der Begriff Stapelverarbeitung, engl. batch processing, queued systems) und seine Ergebnisse direkt über einen Drucker und/oder über den Kartenstanzer ausgeben musste.
Vor- und nachgelagert waren, mithilfe elektro-mechanischer Geräte (Kartenlocher, Mischer, Sortierer) ausgeführt, Erfassungs-, Misch- und Sortiervorgänge erforderlich.
Bereits zu diesem Zeitpunkt war die interne Verarbeitung deutlich schneller als die Ein-/Ausgabegeräte; das Lesen eines Lochkartenstapels (Karton mit 2000 Karten) dauerte ca. 5–10 Minuten, die Arbeitsspeichergrößen solcher Rechner lagen bei ca. 16 bis 64 kB (Beispiel siehe System/360).

Diese Maschinen besaßen kein konventionelles Betriebssystem, wie es heute geläufig ist.

Lediglich ein Kontrollprogramm (resident monitor) wurde im Speicher gehalten und sorgte für den reibungslosen Ablauf, indem es die Kontrolle an die momentan auszuführenden Programme übergab.
Der Rechner konnte stets nur ein Programm nach dem anderen ausführen.

Eine Weiterentwicklung – Multiprogrammed Batch Systems – konnte zusätzliche Geräte unterstützen (Magnetbandeinheiten, erste Magnetplatten mit z. B. 7,25 MB Speichervolumen), mehrere Programme gleichzeitig ausführen (z. B.

in 3 'Partitionen') sowie Programme und Daten auf externen Speichern halten.
Eine schnellere Abarbeitung war möglich, da die Zeit für das Lesen und Ausgeben der Kartenstapel entfiel – und die Prozessoren schneller wurden.
Hier wurden Mechanismen wie das Spooling (Zwischenausgabe von Druckerdaten auf Magnetband mit verzögertem, parallel möglichem Drucken) und die Möglichkeit des Offline-Betriebs bereits ausgiebig genutzt.
Jedoch war ein Programm nötig, welches sich der Aufgaben E/A-Verwaltung, Speicherverwaltung und vor allem CPU-Scheduling etc.
annimmt.
Ab diesem Zeitpunkt konnte man von ersten Betriebssystemen reden.

Die nächsten Schritte waren dann Folgen der jeweiligen Aufgabenbereiche, die den Systemen zukamen.

Folgende Systeme sind entstanden und bis zum heutigen Tage im Einsatz: Parallele Systeme, Verteilte Systeme, Personal-Computer-Systeme, Time-Sharing-Systeme, Real-Time-Systeme und in neuester Zeit auch die Personal Digital Assistants und Smartphones.

Im PC-Bereich sind derzeit die meistgenutzten Betriebssysteme die verschiedenen Varianten von Windows von Microsoft (führend bei Systemen mit GUI), BSD inkl. macOS von Apple (am weitesten verbreitetes Desktop-Unix) und GNU/Linux (führend bei Servern).

Für spezielle Anwendungen (Beispiel: industrielle Steuerung) werden auch experimentelle Betriebssysteme für Forschungs- und Lehrzwecke eingesetzt.

Neben den klassischen Varianten gibt es noch spezielle Betriebssysteme für verteilte Systeme, bei denen zwischen dem logischen System und den physischen System(en) unterschieden wird.

Der logische Rechner besteht aus mehreren physischen Rechnereinheiten.
Viele Großrechner, Number-Cruncher und die Systeme aus dem Hause Cray arbeiten nach diesem Prinzip.
Eines der bekanntesten Betriebssysteme im Bereich verteilte Systeme ist Amoeba.

Vorlage:Siehe auch

Aufgaben

Zu den Aufgaben eines Betriebssystems gehören meist:

Speicherverwaltung
- Verwaltung der Systemressource Hauptspeicher.
- Protokollierung der Speichernutzung.
- Reservierung und Freigabe von Speicher.
(Prozess)-Verwaltung
- Überwachung der Speicherzugriffe und gegebenenfalls Beenden von Prozessen bei einer Schutzverletzung.
- Erzeugung neuer Prozesse (entweder auf Anforderung des Betriebssystems oder auf Aufforderung anderer schon existierender Prozesse) und Reservierung des von den Prozessen benötigten Speichers.
- Kommunikation und Synchronisation von Prozessen untereinander (Interprozesskommunikation)
Geräte- und Dateiverwaltung
- Effiziente Zuweisung von Ein-/Ausgabegeräten und Vermittlungseinheiten (Datenkanäle, Steuereinheiten), Vermeidung von Konflikten
- Initiierung, Überwachung der Ausführung, Terminierung von Ein-/Ausgabevorgängen.
- Verwaltung des Dateisystems.
Erzeugung eines Namensraums mit zugehörigen Speicherobjekten und gegebenenfalls weiteren Objekten.
Rechteverwaltung
- Voneinander unabhängige Benutzer/Programme dürfen sich gegenseitig nicht stören.
Abstraktion
- Verbergen der Komplexität der Maschine vor dem Anwender
- Abstraktion des Maschinenbegriffes (nach Coy):
  - Reale Maschine = Zentraleinheit + Geräte (Hardware)
  - Abstrakte Maschine = Reale Maschine + Betriebssystem
  - Benutzermaschine = Abstrakte Maschine + Anwendungsprogramm

Als Gerät aus der Sicht eines Betriebssystems bezeichnet man aus historischen Gründen alles, was über Ein-/Ausgabekanäle angesprochen wird.

Dies sind nicht nur Geräte im herkömmlichen Sinn, sondern mittlerweile auch interne Erweiterungen wie Grafikkarten, Netzwerkkarten und anderes.
Die (Unter-)Programme zur Initialisierung und Ansteuerung dieser „Geräte“ bezeichnet man zusammenfassend als Gerätetreiber.

Betriebsmittelverwaltung und Abstraktion

Als Betriebsmittel oder Ressourcen bezeichnet man alle von der Hardware eines Computers zur Verfügung gestellten Komponenten, also den Prozessor (bei Mehrprozessorsystemen die Prozessoren), den physischen Speicher und alle Geräte wie Festplatten-, Disketten- und CD-ROM-Laufwerke, Netzwerk- und Schnittstellenadapter und andere.

Die Hardware Compatibility List enthält alle Hardware-Produkte, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Betriebssystem auf ihre Funktionalität hin getestet wurden.

Beispiel: Zeitgeberbausteine

Moderne Rechnersysteme besitzen Zeitgeberbausteine (Timer).

In frühen PCs wurde z. B.
der Baustein 8284 des Unternehmens Intel eingesetzt.
Dieser Baustein muss zunächst initialisiert werden.
Er kann dann nach Ablauf einer Zeitspanne oder periodisch den Prozessor unterbrechen und ihn zur Abarbeitung einer eigenen Routine veranlassen.
Neben der Initialisierung ist eine Unterbrechungsroutine zu erstellen, deren Aufruf in einer dafür geeigneten Sprache (meist Assembler) programmiert werden muss.
Da Unterbrechungen asynchron auftreten, sind komplexe Verhältnisse hinsichtlich der Datenstrukturen zu berücksichtigen.
Genaue Kenntnisse des Bausteins (Datenblatt), der Computerhardware (Unterbrechungsbehandlung) und des Prozessors sind erforderlich.
Die einzelnen Komponenten, die an diesem Prozess beteiligt sind, fasst man unter dem Begriff Rechnerarchitektur zusammen.

Virtuelle Prozessoren

Ein modernes Mehrprogrammbetriebssystem verwendet einen solchen Zeitgeberbaustein, um den normalerweise einzigen Prozessor periodisch (normalerweise im Millisekundenbereich) zu unterbrechen und eventuell mit einem anderen Programm fortzufahren (sogenanntes präemptives Multitasking).

Die Initialisierung und die Unterbrechungsroutine werden dabei vom Betriebssystem implementiert.
Auch wenn nur ein einzelner Prozessor zur Verfügung steht, können mehrere Programme ausgeführt werden, jedes Programm erhält einen Teil der Prozessorzeit (Scheduling).
Jedes Programm verhält sich, bis auf die verlangsamte Ausführungszeit, so, als hätte es einen eigenen virtuellen Prozessor.

Virtuelle Zeitgeber

Über einen Systemruf, zum Beispiel alarm, wird jedem Programm darüber hinaus ein eigener virtueller Zeitgeber zur Verfügung gestellt.

Das Betriebssystem zählt die Unterbrechungen des Original-Zeitgebers und informiert Programme, die den alarm-Systemruf verwendeten.
Die einzelnen Zeitpunkte werden über eine Warteschlange verwaltet.

Abstraktion

Die Hardware des Zeitgebers ist damit vor den Programmen verborgen.

Ein System mit Speicherschutz erlaubt den Zugriff auf den Zeitgeberbaustein nur über den Kernel und nur über exakt definierte Schnittstellen (meist Systemrufe genannt, die über spezielle Prozessorbefehle wie TRAP, BRK, INT realisiert werden).
Kein Programm kann somit das System gefährden, die Verwendung des virtuellen Zeitgebers ist einfach und portabel.
Der Anwender oder Programmierer braucht sich nicht um die (komplexen) Details zu kümmern.

Virtualisierung weiterer Betriebsmittel

So wie Prozessoren und Zeitgeber virtualisiert werden, ist dies auch für alle anderen Betriebsmittel möglich.

Dabei werden einige Abstraktionen teilweise nur als Software implementiert, andere erfordern spezielle Hardware.

Dateisysteme

Über Dateisysteme werden die Details der externen Speichersysteme (Festplatten-, Disketten- oder CD-ROM-Laufwerke) verborgen.

Dateinamen und Verzeichnisse erlauben den bequemen Zugriff, die eigentlich vorhandene Blockstruktur und die Geräteunterschiede sind vollkommen unsichtbar.

Interner Speicher

Der interne Speicher (RAM) wird auch Arbeitsspeicher genannt und vom Betriebssystem in Blöcke (Kacheln) aufgeteilt, die den geladenen Programmen auf Anforderung zur Verfügung gestellt werden.

Meist wird der Speicher initialisiert, das bedeutet, dass dabei allenfalls noch vorhandene Daten zuvor gelöscht werden. Über virtuellen Speicher wird bei vielen Systemen jedem Programm ein kontinuierlicher (zusammenhängender) Bereich zur Verfügung gestellt.
Die Virtuelle Speicherverwaltung erlaubt einen flexiblen Ansatz, bei dem der reale physisch vorhandene Speicher weder zusammenhängend sein muss (Segmentierung), noch muss er in Summe real wirklich so groß sein, wie es aus Sicht der Programme scheint.
Stattdessen werden einzelne Speicherblöcke, , nach Bedarf zwischen Arbeitsspeicher (RAM) und externem Speicher (z. B.
die Auslagerungsdatei) hin und her geschoben (Paging).

Netzwerk

Die Details der Netzwerkzugriffe werden verborgen, indem auf die eigentliche Hardware (Netzwerkkarte) ein Protokollstapel aufgesetzt wird.

Die Netzwerksoftware erlaubt beliebig viele virtuelle Kanäle.
Auf der Ebene der Sockets (Programmierung) ist die Netzwerkkarte vollkommen unsichtbar, das Netzwerk hat viele neue Fähigkeiten (bidirektionale, zuverlässige Datenströme, Adressierung, Routing) bekommen.

Bildschirm

Als Grafische Benutzeroberfläche (GUI, Abk.

für engl. Graphical User Interface) wird generell eine Bildschirmausgabe beschrieben, wenn sie über eine Eingabeaufforderung hinausgeht.

Mit den richtigen Grafikkarten und Bildschirmen ist die Darstellung von geometrischen Objekten (Linien, Kreisen, Ellipsen, aber auch Schriftattributen und Farben) auf dem Bildschirm möglich, aus denen sich komplexere geometrische Elemente wie Knöpfe, Menüs, Benutzeroberflächen etc.

zum einfachen Steuern von Programmen erstellen lassen.

Die Grafikkarte als Hardware ist für den Programmierer und Anwender vollkommen verborgen.

Klassifikation Betriebssystemarten

Betriebssysteme können je nach ihren Merkmalen und Funktionen in verschiedene Kategorien unterteilt werden.

Betriebsarten

Batch System (Jobsystem, Stapelverarbeitung)

Der Nutzer muss warten, bis sein Programm an der Reihe ist.
Die Antwortzeit des Systems ist nicht begrenzt.
Beispiele: DOS, OS/2, Windows.

Dialogsystem (interaktives System)

Eine einzelne Antwort kann lange dauern, aber im Durchschnitt erfolgt die Antwort innerhalb einer vorgegebenen Zeit.
Die mittlere Antwortzeit des Betriebssystems liegt unterhalb eines bestimmten Grenzwertes.
Beispiele: MS Windows XP, Windows 7/8, Unix, Linux.

Echtzeitsystem

Das Betriebssystem antwortet sofort.
Die Einhaltung eines gegebenen Grenzwertes für die Antwortzeit ist in jedem Fall erforderlich.
Beispiele: QNX, VxWorks.

Anzahl der parallel bedienbaren Nutzer

Nur ein Nutzer kann das System gleichzeitig verwenden.
Beispiele: Betriebssysteme auf Handys, Navigationssysteme in Fahrzeugen.

Mehr-Nutzer-Betriebssystem (multi user)

Das System kann gleichzeitig mehrere verschiedene Nutzer verwalten und (quasi-)parallel bedienen.
Beispiele: Unix, Linux.

Anzahl der parallel bearbeitbaren Nutzeraufträge

Ein-Prozess-Betriebssystem (single tasking)

Nur ein Auftrag (Prozess) kann zu einem Zeitpunkt durch das System bearbeitet werden.
Beispiel: MS-DOS.

Mehr-Prozess-Betriebssystem (multi tasking)

Das System kann gleichzeitig mehrere verschiedene Aufträge verwalten und (quasi-)parallel bearbeiten.
Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips ist das Multithreading, bei dem mehrere Threads in einem Prozess zusammengefasst werden können.
Beispiele: Unix, Linux, Windows XP, Windows 7, Windows 8.

Diese verschiedenen Arten von Betriebssystemen bieten unterschiedliche Funktionen und Fähigkeiten, um den vielfältigen Anforderungen und Nutzungsszenarien gerecht zu werden.