Übersicht

• Was ist ein Betriebssystem?
• Grundaufgaben — Schnittstelle & Ressourcenverwalter
• Anwendungen & Anforderungen — vom IoT bis zum Server
• Schichtenaufbau
• Aufgaben im Detail — Prozesse, Speicher, Dateien, Geräte
• Benutzerschnittstelle — Shell & GUI
• Marktanteile · Reflexion & Aufgaben

Contents

• What is an operating system?
• Core tasks — interface & resource manager
• Applications & requirements — from IoT to servers
• Layered architecture
• Tasks in detail — processes, memory, files, devices
• User interface — shell & GUI
• Market shares · reflection & exercises

Das Betriebssystem als Schnittstelle

Das Betriebssystem vermittelt zwischen Mensch, Anwendungen und Hardware.

The Operating System as an Interface

The operating system mediates between humans, applications and hardware.

Was ist ein Betriebssystem?

• Das Betriebssystem (Operating System, OS) ist eine Software, die zusammen mit der Hardware die Basis zum Betrieb bildet und die Abarbeitung von Programmen steuert und überwacht.
• Es macht die Benutzung des Computers erst möglich.

What is an Operating System?

• The operating system (OS) is software that, together with the hardware, forms the basis for operation and controls and monitors the execution of programs.
• It makes using the computer possible in the first place.

Grundaufgaben

Core Tasks

Vielfältige Anwendungen & Anforderungen

Je nach Einsatzzweck stellt das Gerät andere Anforderungen an das Betriebssystem:

Diverse Applications & Requirements

Depending on its purpose, a device places different demands on the operating system:

Schichtenaufbau

Betriebssysteme sind in Schichten aufgebaut — jede Schicht baut auf der darunterliegenden auf.

Abb.: Typischer Schichtenaufbau (nach Herold et al., 2017)

Layered Architecture

Operating systems are built in layers — each layer builds on the one below.

Fig.: Typical layered architecture (after Herold et al., 2017)

Prinzip: Schichtenarchitektur

• Eine Schicht darf nur auf die direkt darunter liegende zugreifen
• Zugriff auf tiefere Schichten ist nicht erlaubt
• Zugriff auf höhere Schichten ist ebenfalls nicht erlaubt

Abb. nach Ernst et al. (2017)

Principle: Layered Architecture

• A layer may only access the layer directly below
• Access to deeper layers is not allowed
• Access to higher layers is also not allowed

Fig. after Ernst et al. (2017)

Beispiel: Schichtenarchitektur bei macOS

Example: Layered Architecture in macOS

Aufgaben eines Betriebssystems

Tasks of an Operating System

💡 Alltag: Browser öffnen

Was passiert, wenn ich Firefox starte? Das Betriebssystem koordiniert im Hintergrund alle Teilaufgaben gleichzeitig:

Ein einziger Klick — und alle Aufgaben des Betriebssystems greifen ineinander.

💡 Everyday: Opening a Browser

What happens when I start Firefox? The operating system coordinates all sub-tasks at once in the background:

A single click — and all the operating system's tasks work together.

Prozessverwaltung

• Programme werden im OS als Prozesse ausgeführt
• Ein Prozess ist ein laufendes Programm (Instanz zur Laufzeit) und besteht aus:
  • dem ausführbaren Programmcode
  • den Daten des Programms
  • dem aktuellen Zustand (Hardware-Kontext)
• Multitasking: die CPU-Zeit wird zwischen Prozessen aufgeteilt (Scheduling)

Process Management

• Programs run as processes in the OS
• A process is a running program (runtime instance) and consists of:
  • the executable program code
  • the program's data
  • the current state (hardware context)
• Multitasking: CPU time is shared between processes (scheduling)

Speicherinhalte bei der Prozessausführung

• Stack: wächst nach unten (Funktionsaufrufe)
• Heap: dynamisch angeforderter Speicher
• Daten: z. B. globale Variablen
• Programm: die Maschinenbefehle

Abb. nach Ernst et al. (2017)

Memory Contents during Process Execution

• Stack: grows downward (function calls)
• Heap: dynamically requested memory
• Data: e.g. global variables
• Program: the machine instructions

Fig. after Ernst et al. (2017)

Synchronisation

Prozesse nutzen Betriebsmittel gleichzeitig. Paralleler Zugriff (z. B. auf den Drucker) muss geregelt werden.

• Wechselseitiger Ausschluss (Mutual Exclusion): nur ein Prozess zur Zeit
• Kritischer Abschnitt: Codebereich mit Zugriff auf gemeinsame Ressourcen
• Umsetzung mittels Semaphoren
• Gefahr: Deadlock — Prozesse blockieren sich gegenseitig

Synchronization

Processes use resources simultaneously. Parallel access (e.g. to a printer) must be coordinated.

• Mutual exclusion: only one process at a time
• Critical section: code region accessing shared resources
• Implemented via semaphores
• Risk: deadlock — processes block each other

💡 Alltag: Zwei Programme drucken gleichzeitig

Warum braucht man Synchronisation?

Genau das leistet der wechselseitige Ausschluss aus der vorherigen Folie.

💡 Everyday: Two Programs Printing at Once

Why do we need synchronization?

Exactly what mutual exclusion from the previous slide achieves.

Speicherverwaltung

• Paging: physischer Speicher in gleich große Seiten aufgeteilt → erweitert den virtuellen Speicher

Memory Management

• Paging: physical memory split into equal-sized pages → extends virtual memory

Dateiverwaltung & Baumstruktur

• Daten werden dauerhaft auf Sekundärspeicher abgelegt (HDD, SSD)
• Verwaltung in einer Baumstruktur aus Verzeichnissen mit einem Wurzelverzeichnis
• Eine Datei ist eindeutig durch ihren Pfad gekennzeichnet:

Dateisysteme: NTFS (Windows), ext4 (Linux), APFS (macOS) · Schutz durch Zugriffsrechte

File Management & Tree Structure

• Data is stored permanently on secondary storage (HDD, SSD)
• Managed in a tree structure of directories with a root directory
• A file is uniquely identified by its path:

File systems: NTFS (Windows), ext4 (Linux), APFS (macOS) · protected by access rights

💡 Alltag: Datei speichern

Warum ist ein Pfad eine Abstraktion?

Der Pfad verbirgt die technische Realität — wir denken in Ordnern, nicht in Speicherblöcken.

💡 Everyday: Saving a File

Why is a path an abstraction?

The path hides the technical reality — we think in folders, not in storage blocks.

Geräteverwaltung & Treiber

• An einen Rechner lassen sich viele verschiedene Peripheriegeräte anschließen
• Für typische Geräte gibt es standardisierte Schnittstellen
• Ein Gerätetreiber verbindet das konkrete Gerät mit der Standardschnittstelle
• So bleibt das OS unabhängig von der konkreten Hardware

Abb. nach Ernst et al. (2017)

Device Management & Drivers

• Many different peripherals can be connected to a computer
• For typical devices there are standardized interfaces
• A device driver connects the specific device to the standard interface
• This keeps the OS independent of the specific hardware

Fig. after Ernst et al. (2017)

Benutzerschnittstelle: Shell & GUI

Multi-Touch-Bildschirme: Bedienung mit mehreren Fingern (Wischen, Spreizen zum Zoomen)

User Interface: Shell & GUI

Multi-touch screens: operated with multiple fingers (swipe, pinch to zoom)

Betriebssysteme: Marktanteile

Weltweit (alle Geräte) hat Android Windows als am weitesten verbreitetes Betriebssystem abgelöst — getrieben durch Smartphones.

Quelle: StatCounter Global Stats (gs.statcounter.com)

Operating Systems: Market Shares

Worldwide (all devices), Android has overtaken Windows as the most widespread operating system — driven by smartphones.

Source: StatCounter Global Stats (gs.statcounter.com)

Ist das Betriebssystem eine fundamentale Idee?

Überprüfung anhand der vier Kriterien (Schwill, 1993):

Is the Operating System a Fundamental Idea?

Evaluation using the four criteria (Schwill, 1993):

Aufgaben heute — euer Gerät erkunden

Vier kurze Praxisaufgaben — eine nach der anderen. Pro Aufgabe ein Artefakt fürs Mahara-Portfolio.

Alle Aufgaben & die Reflexion: reflexion.html?sitzung=8

Tasks today — explore your device

Four short hands-on tasks — one after another. One artefact per task for your Mahara portfolio.

All tasks & reflection: reflexion.html?sitzung=8

Fragen?

Sitzungsreflexion

franke-lab.de/lehre/sose/fundidee/reflexion.html?sitzung=8

Artefakte & Reflexion verfassen → HTML kopieren → in Mahara einfügen

To Do's:

• e-Portfolio aktualisieren (Reflexion Sitzung 8)
• Praxisaufgaben: Task-Manager, Dateisystem, Netzwerk, Terminal

Questions?

Session Reflection

franke-lab.de/lehre/sose/fundidee/reflexion.html?sitzung=8

Write artifacts & reflection → copy HTML → paste into Mahara

To Do's:

• Update e-portfolio (reflection session 8)
• Practical tasks: task manager, file system, network, terminal