Betriebssysteme und Datenspeicherung

Welche Aufgaben hat ein Betriebssystem?

Betriebssysteme verwalten die Hardware-Betriebsmittel (CPU-Zeit, Hauptspeicher, Daten etc.) und entlasten die Benutzenden durch die Übernahme von Standard-Funktionen, wie etwa Datenspeicherung oder Tastaturabfragen. Im Allgemeinen lassen sich fünf Aufgabenbereiche identifizieren:

• Die Prozessverwaltung,
• die Speicherverwaltung,
• die Ein-/Ausgabesteuerung,
• das Management des Stromverbrauchs und
• die Sicherheit des gesamten Systems.

Durch das koordinierte Zusammenspiel dieser Einsatzfelder vereinfacht ein Betriebssystem komplexe Prozesse und ermöglicht die einfache Handhabe.

Prozessverwaltung

Ein Prozess ist ein Programm inklusive dessen Daten und Zustände. Ein Thread arbeitet innerhalb eines Prozesses die Befehlsfolge des Programms ab. Verschiedene Aufgaben (Befehlsfolgen) werden mit Hilfe mehrerer Threads nebeneinander abgearbeitet. Multitasking beschreibt das simultane Abarbeiten mehrerer Befehlsfolgen. Scheduling bezeichnet den Ablaufplan, nach welchem die verschiedenen Prozesse und deren Rechenzeit eingeplant sowie abgearbeitet werden.

Ein Betriebssystem besteht aus einer Vielzahl an Prozessen. Die parallele Ausführung mehrerer Threads auf mehreren Kernen einer CPU wird Multiprocessing genannt. Die Prozessverwaltung innerhalb eines Betriebssystems ist demnach das Management, das die Prozesse und deren Threads auf die vorhandenen Kerne (Prozessoren) verteilt.

Speicherverwaltung

Damit ein Prozess ausgeführt werden kann, werden ihm Bereiche des Hauptspeichers (RAM) zugeteilt. Die Größe des Speichers ist bei eingebetteten Systemen häufig beim Start festgelegt. Man spricht von statischer Allokation. Größere Systeme allokieren ihren Speicher mit Hilfe des Betriebssystems zur Laufzeit des Programms dynamisch.

Die Speicheradressen innerhalb des Hauptspeichers sind zumeist nicht die realen physischen sondern virtuelle Adressen. Das bedeutet: Jedem Prozess werden durch das Betriebssystem virtuelle Bereiche im Hauptsspeicher zugeordnet. Eine Umwandlung in reale physische Adressen geschieht erst zur Laufzeit. So verhindert das System, das die Programme ihre Speicherbereiche gegenseitig überschreiben.

Zudem ist es möglich, dass Speicherbereiche auf einen Sekundärspeicher, wie etwa die Festplatte, ausgelagert werden können. Diesen Seitenwechsel bezeichnet man als Paging.

Ein-/Ausgabesteuerung

Um mit der Vielzahl der an den PC angeschlossenen Geräte kommunizieren zu können, muss das Betriebssystem entsprechende Treiber installieren beziehungsweise laden. Mittels eines solchen Treibers können die Signale der Peripheriegeräte interpretiert und gelesen werden.

Das Betriebssystem verwaltet ebenfalls Festplatten und Sekundärspeicher, wie etwa USB-Sticks. Dies umfasst beispielsweise die Ablage, die Speicherung und das Lesen der Daten. Zudem müssen die Dateien das Abschalten des Systems überleben. Die Dateiverwaltung ist eine der Hauptaufgaben von Betriebssystemen.

Management des Stromverbrauchs

Viele Geräte, wie etwa Smarphones oder Tablet-Computer, werden in der heutigen Zeit mit einer Batterie betrieben. Die Energieverwaltung beziehungsweise das Abschalten, wie beispielweise des Bildschirms, oder Heruntertakten unnötiger Systeme werden durch das Betriebssystem gemanaget.

Sicherheit

Das Betriebssystem verhindert außerdem, dass Prozesse den Speicher anderer Prozesse lesen beziehungsweise überschreiben. Auch der Absturz eines Prozesses darf den Zustand des Systems nicht beeinflussen. Zudem schützt beispielsweise eine Firewall das System vor unerlaubtem Zugriff. Jeder Benutzer darf nur die Daten und Programme sehen beziehungsweise ausführen, für die er eine Berechtigung hat. Ausgewählte Sicherheitsrichtlinien dienen dazu, die Laufzeitfähigkeit zu erhalten.

Welche Arten von Betriebssystemen sind heutzutage verbreitet?

Die Funktionen eines Betriebssystems beziehungsweise dessen Komplexität stehen in Verbindung mit dessen Verwendungszweck. Während Microcontroller mit kleinen Systemen auskommen, sind die Betriebssysteme von Großrechnern oder Server-Clustern weitaus umfangreicher.

Eingebettete Systeme (Steuergeräte)

• Übernahme von Mess-, Steuerungs- und Regelungsaufgaben
• zumeist Microcontroller mit wenig Rechenleistung und einfachem System
• zeichnen sich durch Schnelligkeit (Airbag-Controller/Benzinmotor) und demnach Reaktionen in Echtzeit aus
• Typische Betriebssysteme: VxWorks, QNX oder Embedded Linux

Smartphones und Tablet-Computer

• effizienter Umgang mit Akkuleistung notwendig
• komplexere Anwendungen im Bereich Video-, Foto- und Audiodarstellung sowie Telefonie und Geo-Dienste durch TouchScreen-Eingaben
• Typische Systeme: Linux, Android, iOS oder Windows

Personal Computer (PC) sowie Großrechner / Server-Cluster

• ein oder mehrere Nutzer arbeiten gleichzeitig am System
• lokales System sowie Software-Server mit (Web-)Clients
• hohe Hardwareanforderungen, um mit vielen simultanen Prozessen umgehen zu können
• früher x86-Chipsatz, heute x64-Chipsatz
• Typische Systeme: Linux, Windows, MacOS, Linux Server, MacOS Server oder Windows Server

Komplexere Prozesse und erweiterte Arbeitsabläufe führen dazu, dass sich Betriebssysteme stets weiterentwickeln. Eine kurze Historie zu Microsoft Windows und UNIX zeigt die Veränderungen in der Bedienung und den Aufgaben auf.

Weil macOS auf UNIX basiert und einem Linux-System ähnelt, erfolgt diesbezüglich keine nähere Erklärung.

Welche Speichermedien sind heutzutage relevant?

Speichermedien dienen gemäß des Einsatzzweckes dem Datentransport sowie der Sicherung beziehungsweise Archivierung. Sie unterscheiden sich bezüglich Verbreitung, Kapazität, Schnelligkeit, Größe und Wiederverwendbarkeit. Es bleibt hervorzuheben: Wie damals, so ist es auch heute unabdingbar, dass das Zielmedium eine geeignete Schnittstelle besitzt.

Die Art und Weise der Datensicherung hat sich in den letzten Jahrzehnten – ausgehend von Lochkarten – weiterentwickelt. Die Größe der Dateien ist ebenfalls vorangeschritten. Welche Maßeinheiten gibt es?

In Abhängigkeit der Speichermedien verändert sich auch die Größe des Speichers. Doch welche Speichermedien finden demnach heutzutage Verwendung?

Magnetband

Das Magnetband ist noch im professionellen Bereich verbreitet. EinzelanwenderInnen gebrauchen das Speichermedium aufgrund der Handhabung eher selten. Es dient dem wiederkehrenden (Server-)Volldatenbackup und der Datenarchivierung. Seine Größe umfasst bis zu 16TB.

CD/DVD/Blu-Ray Disc

CDs, DVDs und Blu-Ray Discs dienen der vollständigen, differentiellen oder inkrementellen Datensicherung sowie -archivierung. CDs (900MB) und DVDs (4,7GB) sind heutzutage aufgrund der geringen Speicherkapazität eher weniger verbreitet. Blu-Ray Discs umfassen dagegegen bis zu 50GB. Das Problem stellen jedoch bei allen Discs die Schnittstellen dar. Nur wenige neue Engeräte besitzen ein entsprechendes Laufwerk.

USB-Sticks / Speicherkarten

USB-Sticks und Speicherkarten dienen neben der Datenspeicherung hauptsächlich dem Datentransport. Sie können bis zu 2TB groß sein. Vor allem USB-Sticks sind weit verbreitet, da fast jedes Gerät abseits von Smartphones und Tablet-Computern mittlerweile eine USB-Schnittstelle aufweist.

(Externe) Festplatte

(Externe) Festplatten sind magnetische Speichermedien zum Vollbackup und zur Datensicherung. Die Daten werden auf rotierenden Platten mit Hilfe eines bewegbaren Kopfes geschrieben oder gelesen. Als Schnittstellen eignen sich FireWire, (e-)SATA, Thunderbold oder USB.

Einen besonderen Fall stellen Solid-State-Drive (SSD) Festplatten dar. Sie besitzen keine beweglichen Schreib- beziehungsweise Leseköpfe sondern spezielle flashbasierte Chips zur Datensicherung. Die kürzeren Zugriffszeiten, die Unempfindlichkeit gegenüber Stößen, der geringe Stromverbrauch, die geringe Abwärme und die Geräuschlosigkeit machen dieses Speichermedium für den privaten Gebrauch und die Industrie attraktiv. Die weltweit größte SSD umfasst eine Größe von 100TB. Im Schnitt werden für den privaten Gebrauch 1TB-SSDs für unter 100€ angeboten.

Cloud-Dienste

Das Auslagern von Hardware, Datenspeicher oder Software in einen Bereich (eine Wolke) des Internets wird als Cloud Computing bezeichnet. Die Servicemodelle unterscheiden sich in…

• PaaS: Platform as a Service,
• SaaS: Software as a Service und
• IaaS: Infrastructure as a Service.

Die Hardware, der Speicher beziehungsweise die Software werden demnach von einem externen Anbieter (Service) angemietet und über bestimmte Schnittstellen im Internet angesprochen. Im Allgemeinen teilen sich die Dienste in vier Liefermodelle auf:

• Private Clouds (Bereitstellung über Intranet und Nutzung von internem Personenkreis),
• Public Clouds (Bereitstellung über Internet und Nutzung von beliebigen Personen),
• Hybrid Clouds (Mischformen von Private und Public Clouds) und
• Community Clouds (Zusammenschluss von Organisationen und Nutzung nur von Mitarbeitenden dieses Zusammenschlusses).

Heutzutage sind Online-Speichermedien in Freizeit und Beruf weit verbreitet. Vor allem die Installation von Betriebssystemen und der Betrieb von Servern ist zumeist in die Cloud ausgelagert.