• Was wir bis jetzt kennengelernt haben:

• Aber: Ein Programm läuft eher selten direkt auf der nackten Hardwareplattform
• Zoomen wir einmal raus:
  • Betriebssystem als Plattform für Programme → heute
  • Compiler-Toolchain für das Bauen eines Programms → nächstes Kapitel

• Der Themenkomplex „Betriebssysteme“ ist sehr groß

• Nicht mit einer Vorlesung abzudecken

• Empfehlung: Besuch der Veranstaltung „Betriebssysteme“

  (oder selbstständig Themengebiet erarbeiten)

• Literatur: Andrew S. Tanenbaum - Moderne Betriebssysteme [1]
  • Eines der Standardwerke über Betriebssysteme
  • Aktuelle Version: 5. Auflage (2025)
  • In der Bibliothek verfügbar: 4. Auflage (ebenfalls gut geeignet)

• Betriebssystem hat zwei Hauptaufgaben [1]:

1. Bereitstellung von Abstraktionen der Betriebsmittel

2. Verwaltung der Hardwareressourcen, die der Computer besitzt

• Daraus folgt:

  Alles eine Anwendung, die auf dem Betriebssystem aufsetzt

• Dies alles ist nicht Teil eines Betriebssystems:

  • Graphische Oberfläche
  • Anwendungen
  • Kommandozeile

• Beispiel GNU/Linux

  • Linux ist der Betriebssystemkern (Kernel)
  • GNU ist Sammlung von essenziellen Programmen (GNU Core Utils) aufsetzen

Wir schauen jetzt mal unter die Haube!

• Verschiedene Kategorien für den grundlegenden Aufbau eines Betriebssystems
• Zwei dominante Konzepte:

Monolithisches System

Mikrokern-System

• Anwendungsebene ist nicht privilegiert
• Darf nur, was das Betriebssystemebene erlaubt
• Anwender:in ist auf diese Ebene beschränkt
• Interagiert mit darunterliegenden Betriebssystem

• Definierte Funktionen erlauben Anwendung Eintritt in Betriebssystem
  • Heißen System Calls
  • Wechsel auf Betriebssystemebene zur Ausführung notwendig
  • Beispiel: read() – „Lese etwas aus einer Datei“

• Systemebene ist das eigentliche Betriebssystem

• Direkter Zugriff auf die Hardware

• Stellt Treiber und Abstraktionen für Interaktion bereit

• Darf alles privilegiert ausführen

  → Große Verantwortung

• Fehlerhafte Programmcode kann gesamtes System zum Absturz bringen

• Existieren ebenfalls schon lange

• Bekannteste Beispiele: MacOS

• Ziel: Möglichst kleine Systemebene

  → Nur absolut notwendige Komponenten

• Treiber auf Anwendungsebene verschieben

• Viel Kommunikation zwischen den Anwendungen: Inter-Process Communication (IPC)

  → Interaktion mit der jeweiligen System-Komponente auf Nutzerebene

Was für Abstraktionen gibt es in einem Betriebssystem?

• x86 / amd64
  • Hauptsächlich Desktops und Laptops
  • Hersteller: Intel und AMD (Ursprung: Intel 8086)
  • Philosophie: Größtmögliche Abwärtskompatibilät
  • CISC-Vertreter
• ARM
  • Hauptsächlich Mobilgeräte
  • Designer: Advanced RISC Machines
  • Spezifiziert Designs und verkauft Lizenzen an verschiedene Hersteller
  • Designs beinhalten unter anderem Instruktionssatz/interne Komponenten

• RISC-V (Reduced Instruction Set Computer 5)
  • Typischer Einsatz: Mikrocontroller
  • Komplett offener Befehlssatz ohne kostenpflichtige Lizenzen
  • Jeder Hersteller kann frei entwickeln/anpassen und bauen
  • Seit ca. 2015 verfügbar (Vorgängerversionen waren Forschungsprojekte)
  • Noch nicht so dominant wie ARM und x86, aber bereits sehr beliebt bei Herstellern

• Speicherstruktur eines Prozesses ist bekannt (Stack, Heap, BSS, …)

• Betriebssystem verwaltet Rechenzeit und Speicher eines Prozesses!
• Wichtig: Jeder Prozess „denkt“, er sei alleine in dem System:
  • Einem Prozess gehört der Prozessor
  • Einem Prozess gehört der gesamte Adressraum

• Prozesse werden Blockiert, wenn sie auf ein Ereignis warten
• Prozesse wechseln von Laufend in Bereit, wenn die Zeitscheibe abgelaufen ist

(Vereinfachte Darstellung, für Details siehe Bücher von Silberschatz, Tanenbaum und anderen [1, 2])

• Moderne Dateisysteme notieren Änderungen separat in einer Art Logbuch (Journal)
  • Beispiele: NTFS (Windows), Ext4 (Linux)
• Anstehende Änderungen werden erst eingetragen und anschließend durchgeführt
• Ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung des Dateisystems bei Absturz
• Überprüfung der Änderungshistorie auf Konsistenz mit Inhalt des Speichermediums

• UNIX (und Linux) haben spezielle Philosophie: Everything is a file
• Alles wird als eine Datei im Dateisystem abgebildet
• Dazu zählt unter anderem:
  • Hardware-Komponenten und Geräte (in /dev)
  • IO-Geräte und Schnittstellen (in /dev)
  • Prozesse (in /proc)
• Abbildung auf Datei: Aufgabe des Betriebssystems
• Gilt eben so für Interpretation von in Datei geschriebenen Informationen

Zwei wesentliche Geräteklassen aus Sicht des Betriebssystems [1, 2]

• Zeichenorientierte Geräte
  • Zeichenorientierte Geräte (Character Device) sind interaktive Geräte
  • Beispiel: Tastatur, Maus, Drucker, …
  • Meist sequentieller Zugriff: „Lese ein Byte nach dem anderen“
• Blockorientierte Geräte
  • Zeichenorientierte Geräte (Character Device) sind üblicherweise Speichermedien
  • Beispiel: Festplatte, Diskette, CD-ROM, DVD, BluRay, …
  • Meist wahlfreier und blockweiser Zugriff: „Lese 512 Byte von Stelle 42“

(Nicht alle Geräte passen in diese Klassen.)

• Betriebssystem bestimmt Zuteilung von Ressourcen
• Ressourcen sind: CPU, Arbeitsspeicher, Festplatte, Netzwerk, …
• Strategie entscheidet über Zuteilung
  • Zeitpunkt
  • Menge
• Zuteilung erfolgt dynamisch oder statisch
• Statische Zuteilung erfolgt vor der Ausführung – offline
• Dynamische Zuteilung erfolgt während der Ausführung – online
• Beschränkung erst mal auf CPU-Zuteilung

• Priorität: Ist ein Programm wichtiger als andere?
• Periodizität: Wird periodisch/nur sporadisch Rechenzeit benötigt?
• Präemptivität: Kann die Ausführung unterbrochen werden?
• Bisherige Rechenzeit: Hatte ein Programm schon viel Rechenzeit?
• …
• Umsetzung über eine Zeitscheibe
  • Prozess bekommt Rechenzeit für feste Zeitspanne
  • Länge der Zeitscheibe hängt von genannten Faktoren ab

• Für Prozesse ist das Scheduling in zwei Teile aufgeteilt:
  1. Dispatcher
  2. Scheduler
• Beide sind eng miteinander verzahnt

• Application Binary Interface (ABI) definiert u.a. Verwendung von Registern
  • Beispiel: In eax ist Rückgabewert einer Funktion/Ergebnis einer Berechnung
  • Funktionsaufrufe: In welchen Registern Funktionsparameter stehen
  • Welche Größen einzelne Datentypen haben (beeinflusst Register/Zeiger)
• Jedes Betriebssystem kann prinzipiell seine eigene ABI definieren
  • Linux/Unix verwenden System V Release 4 (1983 erschienen)
  • Windows definiert seine eigene ABI

• Bisher: Expresstour durch einige wichtige Bereiche von Betriebssystemen
• CPUs und Betriebssysteme beinhalten aber natürlich noch viel mehr! 😃

• Standard für Betriebssysteme (UNIX bzw. Linux)
• Definiert Funktionalität und Umfang von API und Programmen
  • Beispiele für Funktionen: open(), mkdir()
  • Beispiele für Programme: ls, touch (Gnu Core Utils)
• Ziel: Verfügbarkeit von Programmfunktionen mit
  • gleichen Namen,
  • Parametern und
  • Funktionalität
• Konsequenz: Programme müssen nur einmal geschrieben werden
• Motivation: Einheitliche Schnittstelle für große Zahl an UNIXen in 1990ern

• Kurzform für Manual Pages → Handbuchseiten
• Stellen Dokumentation für Programme und Programmierschnittstellen bereit
• Enthält üblicherweise Programmfunktionalität und Benutzungsbeispiele
• Für Funktionen: Parameter, Anforderungen an Parameter
• Lesen vor Verwendung von Programmen und Funktionen ist sehr empfehlenswert!
• Unter Linux von der Kommandozeile aufrufbar: man man (Man Page für man)
• Gibt es auch als Webseiten (a) oder (b)

Auszug aus man ls

LS(1)                                                   User Commands                                                  LS(1)

NAME
       ls - list directory contents

SYNOPSIS
       ls [OPTION]... [FILE]...

DESCRIPTION
       List  information  about the FILEs (the current directory by default).  Sort entries alphabetically if none of -cftu‐
       vSUX nor --sort is specified.

       Mandatory arguments to long options are mandatory for short options too.

       -a, --all
              do not ignore entries starting with .

       -A, --almost-all
              do not list implied . and ..

       --author
              with -l, print the author of each file

Auszug aus man 3 printf

printf(3)                                         Library Functions Manual                                         printf(3)

NAME
       printf, fprintf, dprintf, sprintf, snprintf, vprintf, vfprintf, vdprintf, vsprintf, vsnprintf - formatted output con‐
       version

LIBRARY
       Standard C library (libc, -lc)

SYNOPSIS
       #include <stdio.h>

       int printf(const char *restrict format, ...);
        [...]

DESCRIPTION
       The functions in the printf() family produce output according to a format as described below.  The functions printf()
       and  vprintf() write output to stdout, the standard output stream; fprintf() and vfprintf() write output to the given
       output stream; sprintf(), snprintf(), vsprintf(), and vsnprintf() write to the character string str.

        [...]
Conversion specifiers
       A character that specifies the type of conversion to be applied.  The conversion specifiers and their meanings are:

       d, i   The  int argument is converted to signed decimal notation.  The precision, if any, gives the minimum number of
              digits that must appear; if the converted value requires fewer digits, it is padded on the  left  with  zeros.
              The default precision is 1.  When 0 is printed with an explicit precision 0, the output is empty.
        [...]

• Grundlegene Betriebssystemarchitekturen: Mikroker vs. Monolith
• Abstraktionen in einem Betriebssystem
  • Speichermodell
  • Prozesse
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  • Speicherhierarchie inkl. virtuellem Speicher
• Prozessverwaltung
• Nachschlagewerk in unixoiden Betriebssystemen wie Linux: man pages