Betriebssystem(1)

#ausbildung/gfn/ap1/vorbereitung #informatik/betriebssystem #software/system

Der Chef im Computer - verwaltet Hardware, koordiniert Programme und stellt dem Benutzer eine bedienbare Oberfläche bereit.

Sammlung von Programmen, die es ermöglichen, den Rechner zu betreiben und Anwendungen darauf auszuführen.

Hauptaufgaben

Verwaltung von:

Speicherverwaltung - RAM-Verteilung an Programme
Prozessverwaltung - Programme starten/stoppen
Dateiverwaltung - Ordner- und Datei-Organisation
Geräteverwaltung - Hardware-Kommunikation
Rechteverwaltung - Benutzer und Berechtigungen

OS-Klassifizierung

Nach Betriebsart:

Batch - Stapelverarbeitung
Dialog - Interaktive Bedienung
Realzeit - Zeitkritische Systeme

Nach Benutzern:

Einbenutzer - Ein Nutzer (MS-DOS)
Mehrbenutzer - Mehrere Nutzer (Linux, Windows Server)

Bekannte Betriebssysteme

Desktop:    Windows 10/11, macOS, Linux
Server:     Windows Server, Linux, Unix
Mobil:      Android, iOS
Embedded:   FreeRTOS, Windows IoT

Abstraktion

Das Betriebssystem versteckt die komplexe Hardware hinter einfachen Befehlen - Programme müssen nicht wissen, wie eine Festplatte funktioniert.

Tip

Moderne OS sind meist multitasking (mehrere Programme gleichzeitig) und multiuser (mehrere Benutzer).

Kernel-Typen

Der Kernel (Systemkern) ist der absolut notwendige Teil des BS — der Prozess mit direktem Hardwarezugriff. Es gibt verschiedene Philosophien:

Typ	Umfang	Beispiel	Vorteile / Nachteile
Mikrokernel	nur Hardwarezugriff + Basis-Prozess-/Speicherverwaltung, Rest in anderen Prozessen	—	✅ modular, fault-tolerant (Fehler isoliert) / ❌ mehr Kontext-Wechsel
Monolithischer Kernel	voller Umfang (Prozess, Speicher, Datei, Device alles im Kernel)	Linux, UNIX	✅ schnell (weniger Aufrufe) / ❌ großer, fehleranfällig
Hybridkernel	Mischung (Kernel-Kern klein, aber mehr Treiber/Services direkt)	Windows, macOS	✅ Kompromiss (Performance + Stabilität)

Boot-Sequenz (POST, Bootloader, Kernel)

Das Booten (Bootstrapping) ist das Henne-Ei-Problem: Um das BS zu laden, bräuchte man schon ein BS! Gelöst durch Firmware und einen Bootloader:

Power On Self Test (POST): Firmware testet Basis-Hardware (RAM, CPU, Speicher).
Bootloader suchen: Firmware liest die Partitionstabelle (MBR / GPT) → findet aktive Partition.
Bootloader laden: Bootloader (z.B. GRUB unter Linux, Bootmgr unter Windows) liest die Boot-Konfiguration.
Kernel laden: Bootloader lädt den Kernel in den RAM und springt zum Entry Point.
Kernel lädt BS: Der Kernel initialisiert die Hardware, startet System-Dämonen, gibt Kontrolle an die Shell / GUI.

Phase	Wer macht's	Hardware-Zugriff
POST	Firmware (im ROM)	direkt
Bootloader	Firmware → Bootloader	direkt (noch im 16-Bit/32-Bit-Modus)
Kernel	Bootloader → Kernel	direkt (Kernel schaltet auf 64-Bit um, aktiviert virtuelle Speicheradressierung)
BS/Apps	Kernel	über Systemaufrufe (System-Call)

Systemaufrufe (System Calls)

Programme können die Hardware nicht direkt steuern (wäre unsicher/chaotisch). Sie müssen über den Kernel gehen:

Anwendungsprogramm (User-Mode)
        │ printf("Hallo")
        ↓ (Systemaufruf: write)
    Kernel (Kernel-Mode) — hat Hardwarezugriff
        │ schreibt zum Monitor
        ↓
    Bildschirm

Ablauf:

Programm ruft eine Bibliotheksfunktion auf (z.B. write() in C).
Diese setzt die Register mit Parametern & Systemaufruf-Nummer.
Interrupt auslösen (z.B. int 0x80 in x86 / syscall in x86-64).
CPU springt in Kernel (Kernel-Mode).
Kernel prüft Berechtigung & führt aus.
Kernel springt zurück zu Programm (User-Mode).

→ Das BS kontrolliert damit, dass Programme sich nicht gegenseitig / die Hardware zerstören.