Das Betriebssystem

Dezember 2016

Beschreibung des Betriebssystems


Damit ein Computer in der Lage ist ein Datenverarbeitungsprogramm (manchmal auch Anwendung oder Software genannt) zum Funktionieren zu bringen, muss die Maschine in der Lage sein eine gewisse Anzahl von vorbereitenden Operationen auszuführen, umso den Austausch zwischen dem Prozessor, dem Speicher, und den physischen Ressourcen (Peripheriegeräte) sicherzustellen.

Das Betriebssystem (geschrieben BS oder OS, Abkürzung des englischen Begriffs Operating System) hat die Aufgabe, die Verbindung zwischen den materiellen Ressourcen, dem Benutzer und den Anwendungen (Textbearbeitungsprogramm, Videospiele,...) sicherzustellen. Wenn ein Programm auf eine materielle Ressource zugreifen möchte, muss es nicht spezifische Informationen an das Peripheriegerät senden, sondern reicht es die Informationen an das Betriebssystem zu senden, welches die Übertragung zudem betroffenen Betriebssystem über seinen Treiber übernimmt. Ohne Treiber, müsste jedes Programm die Kommunikation mit jedem Peripheriegerät-Typen erkennen und einbeziehen.

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Das Betriebssystem ermöglicht so die Programme und das Material zu " trennen", insbesondere um die Verwaltung der Ressourcen zu vereinfachen und dem Benutzer eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zu bieten (geschrieben «MMS»), die vereinfacht ist, um es ihm zu ermöglichen, sich von der Komplexität der physischen Maschine zu befreien.

Rolle des Betriebssystems


Die Rollen des Betriebssystems sind verschieden:

  • Verwaltung des Prozessors : das Betriebssystem ist damit beauftragt, die Zuweisung des Prozessors zwischen den verschiedenen Programmen, dank eines Ordnungsalgorithmus, zu verwalten. Der Typ des Ordnungsgebers hängt vollständig von dem Betriebssystem ab, je nach anvisierter Zielsetzung.
  • Verwaltung des Arbeitsspeichers : das Betriebssystem ist damit beauftragt den Speicherplatz, der jede Anwendung und, gegebenenfalls, jedem Benutzer zugewiesen ist, zu verwalten. Wenn der physische Speicher nicht ausreicht, kann das Betriebssystem eine Speicherzone auf der Festplatte erstellen, die virtueller Speicher genannt wird. Der virtuelle Speicher ermöglicht die Funktion von Anwendungen die mehr Speicherplatz brauchen, als auf dem System zu Verfügung steht. Allerdings ist dieser Speicher sehr viel langsamer.
  • Verwaltung der Eingänge / Ausgänge : das Betriebssystem ermöglicht die Kontrolle und die Vereinheitlichung des Programmzugriffe auf materielle Ressourcen, über die Treiber (ebenfalls Peripheriegerät-Verwalter oder Eingangs/ Ausgangs-Verwalter genannt).
  • Verwaltung der Ausführung der Anwendungen : das Betriebssystem ist mit der korrekten Ausführung der Anwendungen beauftragt, indem es ihnen die Ressourcen zuteilt, die für ihre gute Funktionsweise nötig sind. In diesem Zusammenhang kann auch eine Anwendung « getötet» werden, die nicht mehr richtig antwortet.
  • Rechteverwaltung : dem Betriebssystem unterliegt ebenfalls die Sicherheit, die mit der Programmausführung verbunden ist, da es garantiert, dass die Ressourcen nur von den Programmen und Benutzern verwendet werden, die die entsprechenden Rechte besitzen.
  • Dateiverwaltung : das Betriebssystem verwaltet die Lese-und Schreiboperationen in dem Dateisystem. Außerdem kümmert er sich um die Zugriffsrechte auf Dateien, über die Benutzer und Anwendungen verfügen.
  • Informationverwaltung : das Betriebssystem liefert eine gewisse Anzahl an Indikatoren, die es ermöglichen die korrekte Funktionsweise der Maschine zu diagnostizieren.

Komponenten des Betriebssystems


Das Betriebssystem besteht aus einer Reihe von Programmen, mit denen die Interaktionen mit den Geräten verwaltet werden. In dieser Softwaregruppe unterscheidet man meist folgende Elemente :

  • Der Kern (auf Englisch kernel) der die grundlegenden Funktionen des Betriebssystems darstellt, wie z.B die Verwaltung des Speichers, der Prozesse, der Dateien, der Haupteingänge- und Ausgänge, und der Kommunikations-Funktionalitäten.
  • Der Befehlübersetzer (auf Englisch shell). Im Gegensatz zum Kern ermöglicht der Befehlübersetzer die Kommunikation mit dem Betriebssystem über eine Befehlssprache, um es dem Benutzer zu erlauben, die Peripheriegeräte zu steuern, ohne dafür die Charakteristika der benutzten Geräte, die Verwaltung der physischen Adressen, usw. zu kennen.
  • Das Dateisystem (auf Englisch «file system», geschrieben FS ), welches das Speichern der Dateien in einem Dateibaum ermöglicht.




Multitaskingssysteme


Ein Betriebssystem wird als «mehrfädig» (auf Englisch multithreaded) bezeichnet, wenn mehrere «Aufgaben» (ebenfalls Prozesse genannt) gleichzeitig ausgeführt werden können.

Die Anwendungen bestehen aus Befehlssequenz, die man «leichtgewichtige Prozesse» (auf Englisch «threads») nennt. Diese leichtgewichtigen Prozesse werden, je nach der Priorität die ihnen zugeschrieben, entweder aktiv sein, Stand-By gesetzt, unterbrochen oder zerstört werden, wird, oder sie werden sequenziell ausgeführt.

Ein System wird präemptiv genannt, wenn es einen Scheduler (auch Steuerprogramm genannt) besitzt, welcher, nach Prioritätskriterien, die Maschinenzeit zwischen den verschiedenen Prozessen, die danach fragen, aufteilt.

Ein System wird als System mit geteilter Zeit bezeichnet, wenn jedem Prozess eine Zeitrate zugeteilt wird. Dies ist insbesondere der Fall der Multiusersysteme, die es mehreren Benutzern ermöglichen gleichzeitig auf der gleichen Maschine verschiedene oder ähnliche Anwendungen zu benutzen: das System wird dann «transaktionnelles System» benannt. Dafür teilt das System jedem Benutzer eine Zeitspanne zu.

Multiprozessorsysteme


Das Multiprocessing ist eine Technik die darin besteht, mehrere Prozessoren parallel funktionieren zu lassen, um so eine höhere Rechenleistung zu erreichen, als man sie mit einem hochwertigen Prozessor erreichen kann oder um die Bereitschaft des Systems zu erhöhen (im Falle einer Prozessorpanne).

Man bezeichnet als SMP (Symmetric Multiprocessing oder Symmetric Multiprocessor ) eine Architektur in der alle Prozessoren auf einen geteilten Speicherbereich Zugriff haben.

Ein Multiprozessorsystem muss demnach in der Lage sein, die Verteilung des Speicherraums zwischen mehreren Prozessoren zu verwalten, aber ebenfalls die Arbeitslast zu verteilen.

Eingebaute Systeme


Eingebaute Systeme sind Betriebssysteme die dafür gedacht sind, auf kleinen Maschinen zu funktionieren, wie PDAs (personal digital assistants) oder autonomen elektronischen Geräten (Weltraumsonden, Roboter, Bordcomputer von Fahrzeugen, usw.), die eine begrenzte Autonomie besitzen. So ist ein wesentliches Merkmal der eingebauten Systeme ihre fortgeschrittene Verwaltung der Energie und ihre Kapazität mit begrenzten Ressourcen zu funktionieren.

Die wichtigsten eingebauten Systeme für den « allgemeinen Gebrauch» für PDA sind :

  • PalmOS
  • Windows CE / Windows Mobile / Window Smartphone

Echtzeitsysteme


Die Echtzeitsysteme (real time systems), hauptsächlich in der Industrie verwendet, sind Systeme deren Ziel es ist, in einer zeitlich begrenzten Umgebung zu funktionieren. Ein Echtzeitsystem muss, nach spezifischen zeitlichen Bedingungen, so zuverlässig funktionieren. Das heißt, es muss in der Lage sein eine korrekte Bearbeitung der erhaltenen Informationen nach genau definierten Zeitintervallen, abzugeben (regelmäßig oder nicht).

Hier einige Beispiele von Echtzeit-Betriebssystemen :


Die Betriebssystemtypen


Man unterscheidet mehrere Typen von Betriebssystemen, je nachdem ob sie in der Lage sind, simultan Informationen einer Länge von 16 bits, 32 bits, 64 bits oder mehr, zu verwalten.


SystemKodierungMonouserMultiuserMonotask Multitask
DOS16 bits X X
Windows3.116/32 bits Xnicht präemptiv
Windows95/98/Me32 bits Xkooperativ
WindowsNT/200032 bits Xpräemptiv
WindowsXP32/64 bits Xpräemptiv
Unix / Linux32/64 bits Xpräemptiv
MAC/OS X32 bits Xpräemptiv
VMS32 bits Xpräemptiv

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