GTI-Grundlagen der technischen Informatik

Man unterscheidet derzeit die Dienstmodelle Infrastructure as a Service (IaaS) für die Bereitstellung ganzer Rechnersysteme, Platform as a Service (PaaS) für die Bereitstellung von Entwicklungsumgebungen und Software as a Service (SaaS) für die Bereitstellung von Anwendungssystemen.

Terminalserver bedienen „dumme“ Clientrechner (sog. Thin Clients), wobei die Anwendungsprogramme vollständig in den Servern ablaufen und die Clientrechner nur noch für Zwecke der Präsentation eingesetzt werden. Die Idee hinter Terminaldiensten ist die Zentralisierung von Betriebsmitteln, um die beteiligten Systeme leichter administrieren zu können.

Als Embedded System bezeichnet man ein Rechner- bzw. Steuerungssystem, das in Geräten (Telefone, DVD-Player, Waschmaschinen, Fernseher), Robotern oder Fahrzeugen (Flugzeuge, Autos) eingebaut ist und dort seine Aufgaben meist unsichtbar verrichtet. Embedded Systems kann man weitgehend als geschlossene Systeme betrachten, die eine dedizierte Aufgabe übernehmen. Das Betriebssystem ist klein ausgelegt, da wenige Ressourcen verfügbar sind. Oft verfügen Embedded Systems aufgrund der knappen Ressourcen nicht über ein Betriebssystem. Die Software bedient dann direkt die Hardwareschnittstellen. Embedded Systems (eingebettete Systeme) sind oft auch Echtzeitsysteme.

Die Zuordnung des Prozessors nach Zeitintervallen an die nebenläufigen Programme wird als Timesharing bezeichnet.

 parallel stattfindendes, in zeitlicher Hinsicht auf den Ablauf hin koordiniertes Arbeiten von mehreren Programmen innerhalb eines einzelnen Computers

Die Abhängigkeiten von der Hardware sind in einer Schicht gekapselt, was eine Portierung auf eine andere Hardwareplattform erleichtert.

Ein Transaktionsmonitor ist ein Dienstprogramm, das oberhalb des Kernels angesiedelt ist und Aufgaben wie die Zugangskontrolle, die Verteilung der Anfragen auf bereitgestellte Prozesse und die Optimierung der Zugriffe sowie die Verwaltung der Ressoucen und auch die Zuordnung von Datenbankverbindungen übernimmt. Transaktionsmonitore werden im Teilhaberbetrieb eingesetzt und dienen dem Ablauf von Transaktionsprogrammen. 

Ein Application-Server erfüllt ähnliche Aufgaben wie der Transaktionsmonitor. Anstelle von Transaktionsprogrammen laufen im Application-Server Komponenten verteilter Anwendungen ab.

Im Teilnehmerbetrieb erhält jeder Anwender seinen eigenen Benutzerprozess sowie weitere Betriebsmittel vom Betriebssystem zugeteilt. Der Benutzer meldet sich über einen Login-Dialog beim System an und bekommt die Betriebsmittel dediziert zugeordnet. Im Teilhaberbetrieb werden Prozesse und Betriebsmittel über einen Transaktionsmonitor zugeteilt.

Im Gegensatz zum Teilnehmerbetrieb kommt der Teilhaberbetrieb mit wenigen Prozessen aus, um viele Dialoganwender zu unterstützen. Die wenigen Prozesse werden vom Transaktionsmonitor verwaltet und effizient an die Benutzer verteilt und zwar so, als ob jeder Benutzer einen eigenen Prozess zugeordnet hätte. Die Betriebsart Teilhaberbetrieb ist ideal für dialogorientierte Programme mit vielen parallel arbeitenden Anwendern, die meistens kurze und schnelle Transaktionen ausführen, wie dies etwa bei einem Buchungssystem für Flugbuchungen der Fall ist.

Betriebsmittel sind u. a.:

– Speicher (Hardware)

– Prozessor (Hardware)

– Gerät (Hardware)

– Datei (Software)

– Nachricht (Software)

– Prozess (Software)

Kommunikations-Middleware setzt man ein, um verteilte Anwendungssysteme zu realisieren. Kommunikations-Middleware wird in der Regel im Benutzermodus betrieben und stellt dem Anwendungsprogramm komfortable Dienste zur Kommunikation bereit.

– Mach von der Carnegy Mellon University (CMU)

– Mac OS X

– Hurt, L4

– Amoeba

– Chorus.

Im Gegensatz zu monolithischen Architekturen wird eine Betriebssystemarchitektur, die einen leichtgewichtigen Kernel enthält, als Mikrokern-Architektur bezeichnet. Der Kernel wird bei dieser Architekturvariante dadurch entlastet, dass Funktionalität in Anwendungsprozesse, sog. Serverprozesse, ausgelagert wird. Der Kernel übernimmt hier im Wesentlichen die Abwicklung der Kommunikation zwischen Client- und Serverprozessen. Clientprozesse greifen bei dieser Betriebssystemarchitektur auf den Mikrokern über eine Service-Request-Schnittstelle zu. Der Mikrokern leitet die Requests an die entsprechenden Serverprozesse, die in Anwendungsprozessen ablaufen, weiter und stellt umgekehrt den Clientprozessen die Ergebnisse zu.

Mehrkernprozessoren verfügen über mehrere vollständige CPUs. Viele Ressourcen mit Ausnahme des Busses und einiger Caches sind repliziert.

Ein Mehrzweck- oder Universalbetriebssystem ist ein Betriebssystem, das für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden kann, aber meist nicht über Realtime-Eigenschaften verfügt. Es wird überwiegend für betriebliche und verwaltungstechnische Aufgabenstellungen, weniger für Realzeitprobleme eingesetzt wird.

Ein PSW (= Program Status Word) ist ein Statusregister, das für Vergleichsoperationen benutzt wird und weitere Kontrollbits wie etwa den aktuellen Modus (Benutzermodus, Kernelmodus), in dem sich die Rechneranlage befindet, enthält.

Zyklisches Abfragen von Ereignisquellen (z.B E/A-Geräte), um deren Kommunikationsbereitschaft festzustellen. bzw. um anliegende Ereignisse oder Kommunikationswünsche der Ereignisquelle abzufragen.

Serverbetriebssysteme 

PC-Betriebssysteme

Echtzeitbetriebssysteme 

Embedded Systems

Betriebssysteme für Tablet-PCs

Betriebssysteme für Handheld-Computer

Smartcard-Betriebssysteme 

Diese schnellen Speicher werden benötigt, um die Maschinenbefehle auszuführen. Je nach Maschinenbefehl werden eines oder mehrere Register benötigt. Die Maschinenbefehle schreiben ihre Operanden oft in Register oder lesen Operanden aus Registern. Man nennt die Register je nach Typ Integerregister, Universalregister, Gleitkommaregister, Datenregister, Segmentregister usw. Ein weiteres, spezielles Register ist der Program Counter (PC, Programmzähler, Befehlszähler, Befehlsregister), der immer die Hauptspeicheradresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält.

Ein Von-Neumann-Rechner besteht aus den vier Funktionseinheiten Leitwerk (Control Unit, CU), Rechenwerk (Processing Unit, PU), Speicher (Memory) sowie Ein-/Ausgabe (Input/Output, E/A). Das Leitwerk holt die Maschinenbefehle nacheinander in den Speicher und führt sie aus. Damit stellt das Leitwerk den „Befehlsprozessor“ dar. Das Rechenwerk, auch Arithmetisch-Logische Einheit (ALU) genannt, stellt den „Datenprozessor“ dar und führt logische und arithmetische Operationen aus. In einem gemeinsamen Speicher liegen die Maschinenbefehle und die zu verarbeitenden Daten. Rechenwerk und Leitwerk werden heute in der Regel in einem Prozessor, der als Zentraleinheit (CPU, Central Processing Unit) bezeichnet wird, zusammengefasst.

Der Harvard-Rechner, der nach der Struktur des Mark-I-Rechners benannt ist, hat im Unterschied zum Von-Neumann-Rechner zwei getrennte Speicher, einen für die Daten und einen für die Maschinenbefehle. Beide Speicher werden auch über einen getrennten Bus mit der CPU verbunden.

Ein System Call (dt. Systemaufruf) oder kurz Syscall ist eine von Anwendungsprogrammen eingesetzte Methode zur Kommunikation mit dem Systemkern. In modernen Betriebssystemen kommt diese Methode zum Einsatz, wenn eine Benutzeranwendung bzw. ein -prozess Informationen an die Hardware, andere Prozesse oder den Kernel selbst übermitteln bzw. Informationen aus diesen Quellen lesen muss. Damit ist ein solcher Aufruf das Bindeglied zwischen Benutzermodus (User-Mode) und Kernelmodus (Kernel-Mode), den beiden entscheidenden Privilegierungs- und Sicherheitsmodi zur Verarbeitung von CPU-Befehlen in Computersystemen.

Interrupts (Unterbrechungen) sog. Betriebssystembe- dingungen oder auch asynchrone Ereignisse, die den Prozessor veranlassen, einen vordefinierten Code auszuführen, der außerhalb des normalen Programmflusses liegt 

Synchrone Interrupts treten bei synchronen Ereignissen auf. Dies sind Ereignisse, die bei identischen Randbedingungen (Programmausfüh- rungen mit gleichen Daten) immer an der gleichen Programmstelle auftreten. Syn- chrone Interrupts werden auch als Exceptions (Ausnahmen) bezeichnet. Ein weiterer Typ eines synchronen Ereignisses sind Systemcalls. Synchrone Interrupts sind vorhersehbar und auch bei gleicher Konstellation wiederholbar.

Asynchrone Interrupts sind die klassischen Interrupt- Typen, die nicht an ein laufendes Programm gebunden sind. Sie treten unabhängig davon auf, was das System gerade macht. Beispiele für asynchrone Interrupts sind die Ankunft einer Nachricht an einem Netzwerkadapter oder die Zustellung eines Plattenspeicherblocks im Hauptspeicher zur weiteren Verarbeitung. Beide Ereig- nisse unterbrechen in der Regel für kurze Zeit den Ablauf des laufenden Pro- gramms. Asynchrone Interrupts sind nicht vorhersehbar und können auch nicht ohne weiteres exakt reproduziert werden.