Betriebssysteme und Architektur
Betriebssysteme und Architektur
Ein Betriebssystem verwaltet die Ressourcen eines Computers und stellt Anwendungen eine kontrollierte Schnittstelle zur Hardware bereit.
Typische Ressourcen sind:
- CPU-Zeit
- Arbeitsspeicher
- Dateien und Speichermedien
- Netzwerk
- Ein- und Ausgabegeräte
- Prozesse und Threads
- Benutzerkonten und Berechtigungen
Warum braucht man ein Betriebssystem?
Ohne Betriebssystem müsste jedes Programm selbst wissen, wie Festplatten, Netzwerkkarten, Speicher und CPU direkt angesprochen werden. Das wäre unsicher, fehleranfällig und kaum wartbar.
Das Betriebssystem übernimmt deshalb zwei große Aufgaben:
| Aufgabe | Bedeutung |
|---|---|
| Verwaltung | Ressourcen werden fair und kontrolliert verteilt. |
| Abstraktion | Komplexe Hardware wird über einfachere Schnittstellen nutzbar gemacht. |
Aus Sicherheitssicht ist das Betriebssystem eine Kontrollinstanz. Anwendungen dürfen nicht einfach beliebige Speicherbereiche lesen, Dateien überschreiben oder Geräte direkt manipulieren.
Computerarchitekturen
Moderne Systeme verwenden unterschiedliche Architekturen, um Rechenleistung zu erhöhen.
| Architektur | Bedeutung |
|---|---|
| SMP | Mehrere gleichberechtigte Prozessoren teilen sich denselben Speicher. |
| Multicore | Mehrere Rechenkerne befinden sich in einer CPU. |
| NUMA | Speicherzugriffe sind je nach Nähe zum Prozessor unterschiedlich schnell. |
Diese Architekturen beeinflussen Scheduling, Speicherverwaltung und Nebenläufigkeit.
Von-Neumann-Zyklus
Eine CPU arbeitet Befehle schrittweise ab.
- Fetch: Befehl aus dem Hauptspeicher laden.
- Decode: Befehl interpretieren.
- Fetch Operands: benötigte Operanden laden.
- Execute: Befehl ausführen.
- Update Instruction Pointer: Adresse des nächsten Befehls setzen.
Die CPU arbeitet mit einem festen Befehlssatz. Befehle und Daten liegen im Hauptspeicher und werden von dort verarbeitet.
Wichtige Register
Register sind sehr kleine, sehr schnelle Speicherbereiche direkt in der CPU.
| Register | Aufgabe |
|---|---|
| Instruction Pointer / Program Counter | Zeigt auf den nächsten auszuführenden Befehl. |
| Status Register | Enthält Zustandsinformationen der CPU. |
| Stack Pointer | Zeigt auf die aktuelle Position im Stack. |
| Arbeitsregister | Speichern Zwischenergebnisse und Operanden. |
Beim Umschalten zwischen Prozessen müssen Registerwerte gesichert und wiederhergestellt werden. Das ist ein wichtiger Teil des Context Switch.
Betriebssystem als Sicherheitsgrenze
Das Betriebssystem schützt:
- Prozess A vor Prozess B
- Benutzer A vor Benutzer B
- Anwendungen vor direktem Hardwarezugriff
- Kernel-Speicher vor normalen Programmen
- Dateien vor unberechtigtem Zugriff
Diese Trennung ist die Grundlage für sichere Betriebssysteme.
Merksatz
Ein Betriebssystem ist nicht nur Komfort, sondern Schutz: Es kontrolliert, wer wann welche Ressource verwenden darf.
Zuletzt aktualisiert: 6. Juni 2026