13 Betriebsysteme

13.4 Klassifizierung von Betriebssystemen

Kommunikation mit der Umwelt

Dialogsysteme

Alle Arten des DV- Betriebes, bei denen Probleme im Rahmen einer schrittweisen Kommunikation gelöst werden, bezeichnet man als interaktive Verarbeitung.

Kommunikation zwischen Mensch und Maschine (z.B. Reisebüro, Hotel- Platzbuchungen)

Vorteile	Nachteile
hohe Datenaktualität Anschlussmöglichkeit für mehrere Nutzerterminals	relative hohe Auftragsverweildauer geringe Systemauslastung (wegen der Denkpausen)

Der wichtigste Vertreter dieser Betriebssystemklasse ist das Betriebssystem UNIX (alternativ, vor allem für PC-Systeme Windows NT/2000/XP).

Echtzeitsysteme

Unter Echtzeitsystemen versteht man den Einsatz von Computern für die Steuerung industrieller Prozesse. Die rechentechnische Bearbeitung von Aufgaben unterliegt dabei einer zwingenden zeitlichen Vorgabe.

Der Informationsaustausch erfolgt zwischen Sensoreinheit und Steuerungsrechner. Der Zeitraum zwischen Entstehung und Verarbeitung der Daten ist menschlich nicht mehr wahrnehmbar.

typische Aufgaben:

• Abfragen von Meßstellen und das Abspeichern der Meßwerte
• Vergleich des Verhaltens des technologischen Prozesses mit dem geforderten Verhalten und ggf. die Berechnung von Steuerreaktionen zur Korrektur
• Ausgabe von Steuernachrichten zu peripheren Geräten
• schnelle Reaktion auf Ausnahmezustände (Alarm!)

unkritische Aufgaben:

• Protokollierung
• Kommunikation mit dem Bedienpersonal

Beispiele: CNC-Steuerungen, Geldautomat, ...

Anforderungen an Rechner mit Echtzeitbetriebssystemen:

• Vermeidung langandauernder Unterbrechungsbehandlungssperren
• komfortable Zeitgeberdienste, z.B. zyklisches Aktivieren von Prozessen
• genügend Reserven, um jederzeit die geforderten Reaktionszeiten zu erreichen
• allgemeine Forderungen, wie hohe Zuverlässigkeit von Hard- und Software

Nebenläufigkeit

Ein-, Mehrprozesssysteme

Bei Einprozesssystemen kann nur ein Prozess (Task) gleichzeitig am Computer abgearbeitet werden. Ein typischer Vertreter dafür ist DOS.

Bei Mehrprozesssystemen werden mehrere Anwendung scheinbar gleichzeitig ausgeführt. Die Abarbeitung von unterschiedlichen Aufgaben wird durch den Scheduler in Threads eingeteilt. Threads sind kleinste Einheiten eines Programmes, die zur Bearbeitung in die CPU weitergeleitet und im schnellen Wechsel durch den Prozessor bearbeitet werden. Mehrere Threads ergeben einen Prozess.

 
Threads bei einer XP Sitzung

Echtes Multitasking ist nur mit mehreren Prozessoren möglich, da sonst nie zwei Threads gleichzeitig ausgeführt werden können. Leistungsfähige Prozessoren können schnell und kontrolliert zwischen den Threads wechseln. Auch diese Art der Abarbeitung wird als echtes Multitasking bezeichnet.

Multitaskingprozesse werden in präemptive und kooperative Prozesse unterschieden.

• Bei präemptiven Multitasking behält das Betriebssystem die Kontrolle über den Prozessor und die Abarbeitung der Tasks (Zeit und Reihenfolge).
• Bei kooperativen Multitasking müssen sich die Programme die Arbeitszeit des Prozessors teilen. Dabei behalten die Programme selbst die Kontrolle über den Prozessor und können somit andere Programme blockieren. Bei fehlerhaften Programmen kann das gesamte System abstürzen.

Typische Vertreter für Mehrprozesssysteme sind UNIX, OS/2, Windows NT/2000/XP, Netware.

Nutzerzahl

Ein-, Mehrnutzersysteme (Netzwerksysteme)

Bei Einnutzersystemen kann nur ein Benutzer am Computer arbeiten. Vertreter dafür sind: DOS, OS/2, Windows NT.

Bei Mehrnutzersystemen können mehrere Benutzer gleichzeitig am Computer arbeiten. Die Zeitspanne der Arbeit am Computer wird als Sitzung bezeichnet und durch die Nutzerverwaltung des Betriebssystems überwacht. Die Benutzer sind in der Lage, unabhängig voneinander verschiedene Aufgaben an einem Computer zu erledigen. Der Benutzer hat dabei den Eindruck, als ob er den Computer allein zur Verfügung hat.

Beispiel einer Telnetsitzung an einem Linuxrechner

Beim Einrichten des Betriebssystems wird ein privilegierter Nutzer (Administrator) festgelegt. Dieser besitzt selbst uneingeschränkte Nutzerrechte und hat die Nutzerverwaltungsaufgaben:

• der Anmeldung neuer Nutzer beim Betriebssystem
• Zuordnung von Nutzerrechten zu den Nutzern
• Abmeldung von Nutzern

Der Administrator muss folgende Nutzerrechte erlauben bzw. beschränken:

• den Datenzugriff
• den Gerätezugriff
• Nutzungsumfang und -intensität

Das Betriebssystem hat abzusichern:

• bei Sitzungsbeginn eine Identitätsprüfung
• evtl. die Abweisung nichtzugelassener Nutzer
• die Verhinderung der Überschreitung von Nutzerrechten
• die Abrechnung erbrachter Dienstleistungen

Die Sicherheit der Nutzerdaten ist in vielen Bereichen außerordentlich wichtig. Da die meisten Computer in Rechnernetze integriert sind, haben sehr viele Menschen die technische Zugriffsmöglichkeit und könnten Fehler beim Datenschutz ausnutzen.

Folgende Vorsichtsmaßnahmen sollten generell ergriffen werden:

• Vermeidung von Administrationsfehlern
• Nutzungsberechtigungen restriktiv vergeben
• regelmäßige Prüfung auf Virenbefall
• Wahl komplexer Paßworte und regelmäßiges Wechseln von Paßworten
• Vermeiden von Fehlern beim Setzen von Dateizugriffsrechten

UNIX ist ein typischer Vertreter für ein solches Betriebssystem.

Prozessorzahl

Ein-, Mehrprozessorsysteme

Betriebssysteme die nur einen Prozessor verwalten können sind Einprozessorsysteme. Typische Vertreter dafür sind DOS, Win9x/ME

Mehrprozessorsysteme enthalten mehrere parallel arbeitende Prozessoren. Diese Prozessoren arbeiten selbstständig, greifen auf einen gemeinsamen Hauptspeicher zu und sind über einen Bus miteinander verbunden. Nach Flynn werden die Computer bezüglich ihrer Fähigkeiten in vier Klassen eingeteilt (SISD, SIMD, MISD, MIMD).

Im Grunde genommen sind alle modernen Computer Mehrprozessorsysteme, da die Geräteansteuerungen spezialisierte Prozessoren sind. Durch die nebenläufige Arbeit der einzelnen Prozessoren entsteht ein Effizienzgewinn.

Ein Prozessor belegt den Bus zum Lesen von Befehlen und Daten und er belegt ihn nicht, wenn Befehle intern bearbeitet werden. So kann in den Pausen ein anderer Prozessor auf den Bus zugreifen. Bei den IBM-Mainframes gibt es beispielsweise spezielle E/A-Prozessoren (Kanäle), die parallel zur Arbeit des Hauptprozessors eigene Kanalprogramme für die Ein- und Ausgabe abarbeiten. Diese ineinandergeschachtelte Busnutzung ist allerdings nicht möglich, wenn viele Prozessoren vorhanden sind. Dann liegt eine echte Konkurrenzsituation vor.

In der Regel gibt es einen Masterprozessor, der die Zugriffsrechte verwaltet und den einzelnen Prozessoren nacheinander die Zugrifferlaubnis gibt.

Je mehr Prozessoren das System besitzt, desto mehr wird der Systembus zum Engpaß. Um zu vermeiden, gibt es neben der Verbesserung des Busdurchsatzes noch die Möglichkeit, Bushierarchien aufzubauen.

Die modernen Prozessoren sind genau betrachtet bereits Einchip-Mikrorechner, da sie über ein Steuer- und Rechenwerk, über einen Speicher (Cache) und über einen verbindenden internen Bus verfügen.

Mehrprozessorsysteme haben einen verbindenden Systembus. Mehrere Mehrprozessorsysteme können wiederum durch einen externen Bus zu einem noch leistungsfähigeren System verbunden werden. Da bei derartigen Systemen nicht alle Informationen über einen Bus geschickt werden, werden die einzelnen Busse nicht überlastet und es können sehr viele Rechner in ein System integriert werden. Allerdings ist die Verwaltung eines so komplexen Systems durch ein Betriebssystem außerordentlich schwierig zu realisieren.

Die Intel-Prozessoren erlauben einen Mehrprozessoreinsatz. Die Hardwareunterstützung wird jedoch nicht von allen Betriebssystemen unterstützt.

Typische Vertreter von Betriebssystemen mit dieser Eigenschaft sind UNIX, OS/2, WinNT/2000/XP.