Donnerstag, 2025-09-18_Betriebssysteme_SLE¶

Schalenmodell (Schichtenmodell des Betriebssystems)¶

Das Schalenmodell ist ein vereinfachtes Modell, das zeigt, wie ein Betriebssystem in Schichten (Layers) aufgebaut ist. Jede Schicht baut auf der darunterliegenden auf und bietet der darüberliegenden neue Funktionen. Dadurch entsteht eine klare Trennung von Aufgaben – ähnlich wie bei einer Zwiebel mit mehreren Schalen.

1. Hardware¶

Definition: Alle physischen Teile des Computers – Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher (RAM), Festplatten/SSDs, Netzwerkkarten, Grafikkarten, Tastatur, Monitor usw.
Wichtig: Hardware allein kann ohne Software nicht gesteuert werden.

2. HAL (Hardware Abstraction Layer)¶

Definition: Eine Zwischenschicht, die die Hardware von der Software abstrahiert.
Funktion: Versteckt Unterschiede zwischen verschiedenen Hardware-Typen.
Beispiel: Unterschiedliche Festplattenhersteller werden einheitlich angesprochen.
Vorteil: Entwickler programmieren gegen eine standardisierte Schnittstelle, nicht direkt gegen konkrete Hardware.

3. Kernel¶

Definition: Der Kern des Betriebssystems, zentrale Steuerungseinheit.
Aufgaben:
Prozessverwaltung
Speicherverwaltung
Gerätesteuerung (über Treiber)
Dateiverwaltung
Vergleich: Wie ein Dirigent, der das Zusammenspiel aller Komponenten koordiniert.

4. Shell¶

Definition: Schnittstelle zwischen Benutzer und Betriebssystem.
Arten:
CLI (z. B. Bash, PowerShell)
GUI (z. B. Windows-Desktop, GNOME)
Funktion: Nimmt Benutzereingaben entgegen und übergibt sie als Systemaufrufe an den Kernel.

5. Programme¶

Anwendungen wie Browser, Office-Programme oder Spiele.
Nutzen Systemaufrufe, um Dienste des Betriebssystems in Anspruch zu nehmen.

Reihenfolge (von innen nach außen)¶

Hardware → HAL → Kernel → Shell → Programme

Schichtenmodell – Windows¶

Diagramm¶

+-------------------------+
|     Programme           |
|     Bibliotheken        |
+-------------------------+
|          API            |
+-------------------------+
|   Systemschnittstelle   |
+-------------------------+
| Prozess-/Ressourcen-    |
|     Management          |
+-------------------------+
|  Dateisystem   Treiber  |
+-------------------------+
|          HAL            |
+-------------------------+
|        Hardware         |
+-------------------------+

Erläuterungen¶

User-Modus
Programme laufen in voneinander getrennten Speicherbereichen.
Kernel-Modus
Zentrale Systemkomponenten und Kernel-Treiber.
Enthält u. a. ntoskrnl.exe.
HAL
Vermittelt zwischen Hardware und Kernel.

Monolithischer Kernel¶

Definition¶

Ein monolithischer Kernel integriert zentrale Betriebssystemfunktionen in einem gemeinsamen Kernel-Adressraum:

Speicher- und Prozessverwaltung
Interprozesskommunikation (IPC)
Gerätetreiber

Vorteile¶

Hohe Performance (direkte Funktionsaufrufe im Kernelraum)
Geringer Overhead

Nachteile¶

Fehler in Treibern können das gesamte System beeinträchtigen
Änderungen erfordern oft Neukompilierung

Beispiel¶

GNU/Linux (klassisch monolithisch mit modularen Erweiterungen)

Microkernel¶

Definition¶

Ein Microkernel enthält nur grundlegende Funktionen:

Basis-IPC
Speicherverwaltung
Prozessverwaltung

Treiber und Dateisysteme laufen meist im User-Modus.

Vorteile¶

Hohe Stabilität
Komponenten austauschbar

Nachteile¶

Performance-Overhead durch häufige IPC
Höherer Implementierungsaufwand

Hybridkernel¶

Definition¶

Ein Hybridkernel kombiniert Elemente von monolithischem Kernel und Microkernel.

Zentrale Komponenten im Kernel-Modus
Einige Dienste im User-Modus

Vorteile¶

Gute Balance zwischen Performance und Stabilität

Beispiel¶

Windows NT (3.1 – Windows 11)