Zusammenfassung — Betriebssystemarchitekturen
Kernfunktionen des Kernels
Der Kernel (Betriebssystemkern) ist die Schnittstelle zwischen Hardware und Anwenderprogrammen. Er sorgt für:
- Bereitstellung hardwareunabhängiger Dienste für Programme (Systemaufrufe),
- Ressourcenverwaltung (z. B. CPU-Scheduling),
- Konfliktauflösung beim Gerätezugriff,
- Überwachung von Zugriffsrechten (Dateien, Speicher).
Der Windows-Kernel liegt z. B. in C:\Windows\System32\ntoskrnl.exe.
Der Kernel läuft im privilegierten Modus (Ring 0) und hat volle Rechte. Anwenderprogramme laufen im Benutzermodus (Ring 3).
Zugriffsschutz / CPU-Ringe
Kurz: x86-CPUs bieten vier Ringe, moderne OS nutzen meist nur Ring 0 (Kernel) und Ring 3 (User).
Systemaufrufe übergeben kurz die Kontrolle an den Kernel — dieser Kontextwechsel kostet Zeit.
Kernel-Varianten
- Monolithischer Kernel: Viele Dienste laufen im Kernelmodus (z. B. traditionelles Linux; oft modular erweiterbar).
- Microkernel: Nur Grundfunktionen im Kernel, viele Dienste in Usermodus (mehr Kontextwechsel).
- Hybridkernel: Mischung aus beiden (z. B. Windows, macOS).
Speicherzuweisung
Programme bekommen logische Adressräume. Typische Segmentaufteilung:
- Programm-Segment (statisch),
- Daten-/Heap-Segment (wächst nach oben, dynamischer Speicher),
- Stack-Segment (wächst nach unten, lokale Variablen, Rücksprungadressen). Prozesskontrollblock enthält benötigte Verwaltungsinformationen. Für dauerhaft benötigte Daten: Heap statt Stack.
Physische vs. logische Adressen
Programme arbeiten mit logischen Adressen (Adressraum beginnt bei 0). Die MMU (Memory Management Unit) übersetzt logische in physische Adressen und ermöglicht Isolation mehrerer Prozesse im physischen RAM.
Hinweis: Die MMU macht virtuelle Speicherverwaltung und schützt Prozesse, indem sie individuelle logische Adressräume abbildet.
Speicherschutz (Basis/Grenze)
- Basisregister: enthält die niedrigste physische Adresse des Prozesses.
- Grenzregister: enthält Größe des erlaubten Adressraums.
Damit verhindert das System, dass ein Prozess außerhalb seines Bereichs liest oder schreibt. Kurz: MMU + Basis-/Grenzregister gewährleisten, dass Prozesse nur erlaubten Speicher nutzen.