Definition: Unter einem Betriebssystem versteht man alle Softwarekomponenten, die

• die Ausführung der Applikationen und
• die Verteilung der Betriebsmittel (z.B. Interrupts, Speicher, Prozessorzeit)

steuern und überwachen.

Diese Komponenten lassen sich unterteilen in den Kernel (Betriebssystemkern) und in sonstige Betriebssystemkomponenten.

Der Betriebssystemkern ist ein Programm, das sämtlichen Applikationen Dienste in Form so genannter Systemcalls zur Verfügung stellt; dies gilt insbesondere auch für Betriebssystemapplikationen. Mit solchen Diensten lassen sich beispielsweise Daten schreiben und lesen, Daten auf einem Bildschirm oder einem Drucker ausgeben, oder Daten von einer Tastatur oder einem Netzwerk-Interface entgegennehmen.

Die sonstigen Betriebssystemkomponenten nutzen die Dienste, um damit Systemkonfigurationen vorzunehmen oder einem Anwender die Möglichkeit zu geben, seine Programme zu starten und ablaufen zu lassen.

In der obigen Betriebssystem-Architektur ist vereinfacht ein Rechensystem dargestellt. Im unteren Teil befindet sich der Kernel, im oberen die sonstigen Betriebssystemkomponenten (Services und Bibliotheken) .

Der Betriebssystemkern besteht damit im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten, die im Anschluss genauer vorgestellt werden:

• Systemcall-Interface
• Prozessmanagement
• Speicher-Management
• IO-Management
• Gerätetreiber

Applikationen können die Dienste, die ein Betriebssystem zur Verfügung stellt, über das Systemcall-Interface in Gebrauch nehmen. Technisch ist diese Schnittstelle über Software-Interrupts realisiert. Möchte eine Applikation einen Dienst (zum Beispiel das Lesen von Daten aus einer Datei) nutzen, löst sie einen Software-Interrupt aus und übergibt dabei Parameter, die den vom Kernel auszuführenden Dienst hinreichend charakterisieren. Der Kernel selbst führt nach Auslösen des Software-Interrupts die zugehörige Interrupt-Service-Routine (ISR) aus und gibt der aufrufenden Applikation einen Rückgabewert zurück.

Das Auslösen des Software-Interrupts wird im Regelfall durch die Applikationsentwickler nicht selbst programmiert. Vielmehr sind die Aufrufe der Systemcalls in den Standardbibliotheken versteckt und eine Applikation nutzt eine dem Systemcall entsprechende Funktion in der Bibliothek.

Die Anwendungen fordern die Dienste des IO-Managements über Systemcalls an. Damit wird bei einer Anwendung nicht nur der Code abgearbeitet, der vom Programmierer erstellt wurde, sondern auch der Code, der über die Bibliotheken der eigenen Applikation hinzugebunden wurde, sowie der Kernel-Code, der bei der Abarbeitung eines Systemcalls ausgeführt wird.

Welche Systemcalls in Linux vorhanden bzw. implementiert sind, ist in der Datei <asm/unistd.h> aufgelistet. Hier ein Ausschnitt:

...
#define __NR_exit         1
#define __NR_fork         2
#define __NR_read         3
#define __NR_write        4
#define __NR_open         5

Der Systemcall mit der Nummer 1 ist der Aufruf, um einen Rechenprozess zu beenden (exit); das Erzeugen eines neuen Rechenprozesses erfolgt über den Systemcall fork, welcher die Nummer 2 hat. Über den Systemcall mit der Nummer 3 (read) lassen sich Daten aus Dateien oder von Geräten lesen. Kernel 2.6 bietet mehr als 270 unterschiedliche Systemcalls.

Eine zweite Komponente des Betriebssystemkerns stellt das Prozess-Subsystem dar. Im Wesentlichen verhilft es Einprozessorsystemen (Uniprocessor System, UP) dazu, mehrere Applikationen quasi parallel auf dem einen Mikroprozessor (CPU) abarbeiten zu können. Aus Sicht des Betriebssystems werden Applikationen als Rechenprozesse – genauer Tasks oder Threads – bezeichnet.

Jeder Rechenprozess besteht aus Code und Daten. Dafür wird im Rechner jeweils ein eigener Speicherblock reserviert. Ein weiterer Speicherblock kommt hinzu, um die während der Abarbeitung des Prozesses abzulegenden Daten zu speichern, der so genannte Stack. Damit belegt jeder Prozess mindestens drei Speicherblöcke: ein Codesegment ein Datensegment und ein Stacksegment

Um Ressourcen (Speicher) zu sparen, können sich mehrere Rechenprozesse auch Segmente teilen. Wird beispielsweise dieselbe Office-Applikation zweimal gestartet, wird vom Betriebssystemkern nicht zweimal ein identisches Codesegment angelegt, sondern für beide Rechenprozesse nur eins.

Teilen sich zwei Rechenprozesse sowohl das Codesegment als auch das Datensegment, spricht man von Threads. Rechenprozesse, die jeweils ein eigenes Datensegment besitzen, werden Tasks genannt.

Abbildung: Rechenprozesse (Tasks und Threads)