Das Betriebssystem vermittelt zwischen Hardware und Programm

Ein Betriebssystem, auch OS (von englisch operating system) ist eine Software zwischen Hardware und Anwendungsprogrammen. Das Betriebssystem vermittelt den Zugriff auf die Hardware-Ressourcen des Computers, wie Arbeitsspeicher, Festplatten, Drucker und USB-Ports. Nicht nur der PC braucht ein Betriebssystem, sondern auch Tablets, Smartphones und andere Computer. Bekannte Betriebssysteme sind Windows, Mac OS , Unix, Linux, iOS und Android.

 

Das Betriebssystem verwaltet und kontrolliert die Hardware, also die Komponenten des jeweiligen Computers. Dazu gehören auch Ausgabegeräte, wie Drucker, DVD-Laufwerk, Tastatur, die Maus und andere Schnittstellen der Hardware, wie etwa USB-Ports. Im Grunde könnte eine Anwendungssoftware, wie z. B. MS Word, diese Aufgaben auch selbst übernehmen. Dann müsste das Anwendungsprogramm jedoch für die verschiedenen Hardwareausführungen der Computer spezielle MS-Word-Versionen anbieten. Mit dem Betriebssystem wird hingegen der Verwaltungsaufwand für die Anwendungsprogramme reduziert und zusätzlich eine einheitliche Oberfläche geschaffen, auf die eine Software von Drittanbietern aufsetzen kann.

 

Betriebssystem als Softwareschicht zwischen Hardware und Programm

Betriebssysteme verbinden die Anwendersoftware mit den Hardware-Ressourcen. Auf fast allen Arten von intelligenten, computergestützten Geräten wird zunächst ein Betriebssystem installiert: Desktoprechner, Laptops, Server, Minicomputer, Großrechner in Rechenzentrum sowie kleinere Systeme wie Smartphones, PDAs (Blackberry u.a.) haben ein Betriebssystem, um anderen Programmen einen standardisierten Zugriff und Kontrolle auf die Hardware-Ressourcen zu ermöglichen. Neben Windows, Mac OS und Linux nutzen einige Universitäten und Forschungseinrichtungen selbst entwickelte Betriebssysteme. Dazu gehören beispielsweise das Betriebssystem Amoeba der Vrije Universiteit Amsterdam. Amoeba ist inzwischen eines der bekanntesten Betriebssysteme für verteilte Systeme. Weitere Uni-Betriebssysteme sind Barrelfish der ETH Zürich und Microsoft Research sowie Rainbow, ein verteiltes Betriebssystem der Universität Ulm.

Bestandteile von Betriebssystemen

Zum Betriebssystem gehören drei grundlegende Bestandteile:

Kernel: Der Systemkern verwaltet den Speicher, den Prozessor und die Prozesse des Systems. Er ist für die Hardware zuständig und triggert beim Start andere Programme für weitere Aufgaben, wie etwa die Gerätetreiber für Drucker und Peripherie.

– Über den Befehlsübersetzer man mit dem Betriebssystem kommunizieren.

– Dateisystem: Das Betriebssystem definiert auch das Dateisystem, das für die Struktur und Ablage von Dateien zuständig ist.

Abläufe im Betriebssystem:

– Benutzerkommunikation

– Ausführen und Beenden von Programmen

– Zuteilung der Prozessorzeit

– Verwaltung von Speicherplatz und angeschlossenen Geräten Zugriffsbeschränkungen.

Anforderungen an ein Betriebssystem

  1. a) Schaffung von Schnittstellen zu Anwendungsprogrammen
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Jede Anwendung (z. B. eine Textverarbeitung) erhält mit dem Betriebssystem einen klar definierten und sauberen Zugriff auf die verfügbare Hardware. Der Programmierer wendet sich nicht an die jeweiligen RAM-Module des Arbeitsspeichers, sondern an die zuständige Softwarekomponente des Betriebssystems. Damit muss der Programmierer die spezifischen Hardwareeigenschaften der verbauten RAM-Module nicht kennen. Das Betriebssystem erzeugt demzufolge abstrakte Objekte, um die Komplexität der unterliegenden und oftmals recht herstellerabhängigen Hardware beherrschbar zu machen.

  1. b) Die Verwaltung der Hardware-Ressourcen

Das Betriebssystem teilt den Benutzern bzw. der Anwendungssoftware die Prozessorleistung zu. Auch Speichereinheiten und Peripheriegeräte werden vom Betriebssystem verwaltet und verteilt. Übernimmt ein Anwendungsprogramm eine Ressource, wie z. B. einen Drucker, so übernimmt das Betriebssystem gleichzeitig die Überwachung des Vorgangs. Bei mehreren Druckanfragen von unterschiedlichen Programmen, entscheidet das Betriebssystem nach definierten Algorithmen, wie eine Verteilung der Ressource erfolgt. Wird ein Computer oder ein Netzwerk von mehreren Benutzern verwendet, müssen vom Betriebssystem zusätzlich Maßnahmen für den Speicherschutz getroffen und konkurrierende Zugriffe auf andere Betriebsmittel geregelt werden.

Systemsoftware vs. Betriebssystem

Das Betriebssystem ist Teil der Systemsoftware, die sämtliche Abläufe auf dem Rechner steuert. Zur Systemsoftware gehören Editoren, Compiler und Interpreter. Browser und andere Anwendungssoftware, wie z. B. ein Buchhaltungsprogramm, nutzen die Systemsoftware für einen ordnungsgemäßen Ablauf. Geregelt ist der Begriff des Betriebssystems sowie sein Umfang in der DIN 44300. Der Umfang des Betriebssystems ist jedoch nicht unumstritten und führende Informatiker grenzen die Komponenten des Betriebssystems weiter ein oder weiten seinen Umfang aus. Im Informatik-Duden gehören auch Übersetzungsprogramme und Dienstprogramme zu den wesentlichen Betriebssystem-Komponenten. Ein Beispiel für die Kontroversen um die Abgrenzung des Betriebssystems ist der GNU/Linux-Namensstreit.

Treiber für Hardwarekomponenten

Die Computer-Hardware eines Desktop-Computers ist zwar selbst zwischen den Herstellern sehr ähnlich, jedoch können die jeweiligen Hardwarekomponenten oder Bauteile unterschiedliche Anforderungen stellen. Wird beispielsweise eine Komponente eines Computers ersetzt, sind meist zusätzlich spezielle Treiberprogramme des Herstellers erforderlich. Einige dieser Treiber werden mit dem Betriebssystem, wie z. B. MS Windows ausgeliefert, jedoch sind nicht alle Versionen und Geräte im Lieferumfang enthalten. In einem solchen Fall müssen die Treiber von der Herstellerseite heruntergeladen werden.

Geschichte der Betriebssysteme

Anfänglich wurden Software und Daten noch über Lochkarten in den Computer gebracht. Der Begriff der „Batchverarbeitung“ (deutsch: Stapelverarbeitung) stammt aus dieser Zeit. Die Lochkarten mussten als Stapel in das Lesegerät des Großrechners eingelegt werden. Meist war die Reihenfolge der Lochkarten wichtig und durfte nicht durcheinandergebracht werden. War eine Lochkarte beschädigt, musste der Stapel beendet, die Karte erneuert und die Einleseprozedur nochmals gestartet werden. In den Anfängen der Großrechner gab es zunächst keine Hardwarespeicher und externe elektronische Speichermedien. Festplatten wurden später entwickelt und waren lange Zeit sehr teuer. An die permanente Ablage von Daten auf einer Festplatte war nicht zu denken. Nach den Lochkarten übernahmen Magnetbänder die Rolle der erschwinglichen Datenträger. Der Begriff der Batch- oder Job-Verarbeitung beschreibt heute die sequentielle Planung von Programmläufen, die meist automatisch getriggert wird.

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Aktuelle Hardware und ihre Betriebssysteme

Die Vorläufer der Desktopsysteme waren Heimcomputer mit Betriebssystemen wie AmigaOS, DOS, LUnix, MiNT oder GEOS für den Commodore C64. Auf Großrechnersystemen, die häufig IBM-Maschinen waren, wurde häufig das Betriebssystem AIX installiert. Die Betriebssysteme BS1000 bis BS3000 liefen auf Siemens Großrechnern. Java-basierte Betriebssystem sind typische Middleware-Produkte, wie etwa das JavaOS von Sun Microsystems, MIDP (Mobile Information Device Profile) und JNode (Java New Operating System Design Effort). Auf Desktoprechnern laufen heute Microsoft Windows, BSD inkl. Mac OS von Apple sowie GNU/Linux.

Server-Betriebssysteme

Die bekanntesten Systeme sind Microsoft Windows, Unix und Linux. Für Windows sprechen seine einfache Bedienbarkeit sowie die Vielzahl der windows-basierten Anwendungssoftware, die zudem oft nur eingeschränkt auf anderen Betriebssystemen lauffähig ist.

Linux-basierte Serversysteme haben ihre Vorteile, wie etwa die das offen gelegte Coding (Open-Source-Software). Damit kann jeder das Betriebssystem einsehen, ändern und erweitern. Ein weiterer Vorteil der Open-Source-Systeme ist eine sich bildende Community, die ständig Neuerungen und Sicherheits-Updates bereitstellt.

In großen Rechenzentren spielen Unix-Betriebssysteme noch immer eine Rolle. Sie sind besonders stabil und zuverlässig. Herausgebildet haben sich auf dem Markt die Unix-Derivate AIX (IBM) und HP-UX (Hewlett-Packard). Unix-Betriebssysteme gelten als weniger angreifbar.

Daniel Faust

Redakteur bei Biteno GmbH
Daniel Faust ist Redakteur im Content-Team der Biteno und betreut den Blog der Biteno GmbH.

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