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Writerside/topics/BS/04_Betriebssystemkerne.md

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+# Betriebssystemkerne
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+> Gute **Architektur** sagt und _warum_ etwas getan wurde.
+> Nicht _wie_ und nicht _wann_ und _wer_.
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+## Der Betriebssystemkern
+- Enthält grundlegende Funktionen des Betriebssystems
+  - Systemaufrufe
+  - Benutzerverwaltung
+  - Prozessverwaltung inklusive Ausführungsreihenfolge ([Scheduling](06_prozessstruktur.md#zeitliche-ausf-hrung-von-prozessen))
+  - Interprozesskommunikation
+  - Prozessumschalter ([Dispatcher](06_prozessstruktur.md#zeitliche-ausf-hrung-von-prozessen))
+  - Gerätetreiber
+  - [Speicherverwaltung](06_prozessstruktur.md#prozesse-im-speicher)
+  - Dateisysteme zur Verwaltung von Dateien auf Speicherlaufwerken
+- Ist die Schnittstelle zur Hardware des Computers
+  - Funktionalitäten im BS-Kern haben vollen Hardwarezugriff
+  - Funktionalitäten laufen als Prozess im Adressraum des Kerns
+  - Funktionalitäten müssen nicht zwingend im Kern positioniert sein, sie können auch über Dienste bereitgestellt werden (Architektur)
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+## Übersicht Betriebssystem
+![image_17.png](image_17.png)
+### Betriebssystemkern
+- Der **Kernel-Bereich** ist privilegiert
+### Die Anwendungsschicht
+- Der **User-Bereich** ist nicht privilegiert, kann aber darauf aufbauende Funktionalitäten bereitstellen
+- Zugriff auf die Hardware erfolgt alleinig durch die im _Kernel_ bereitgestellten Funktionalitäten (System-Calls)
+
+## Kernarten
+### Monolitische Kerne
+Ein Monolith enthält alle Funktionalitäten eines Betriebssystems
+
+| Pro                                                                                 | Con                                                                                                                      |
+|-------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
+| Bessere **Ausführungsgeschwindigkeit** da weniger _Prozesswechsel_ notwendig sind   | Abgestürzte Komponenten des Kerns können nicht separat neu gestartet werden -> können das gesamte BS zum Absturz bringen |
+| Durch jahrelange Entwicklungstätigkeit ist eine gewachsene **Stabilität** vorhanden |                                                                                                                          |
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+### Minimale Kerne (Microkernel)
+Hier befinden sich nur die nötigsten Funktionen im Kernel
+
+| Pro                                                                                                    | Con                                                                                                                      |
+|--------------------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
+| Alle weiteren Funktionalitäten laufen als _Dienste_ bzw. _Server_ im User-Modus                        | Abgestürzte Komponenten des Kerns können nicht separat neu gestartet werden -> können das gesamte BS zum Absturz bringen |
+| Ausgelagerte Funktionalitäten sind leichter austauschbar, bietet bessere _Stabilität_ und _Sicherheit_ |                                                                                                                          |
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+### Hybride Kerne
+Enthalten Komponenten, die, aus Geschwindigkeitsgründen, zusätzlich in den Kernel aufgenommen werden
+
+| Pro                                       | Con                                                                                                             |
+|-------------------------------------------|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
+| höhere Geschwindigkeit als minimale Kerne | keine klare Definition, was in den Kernel integiert wird                                                        | 
+| höhere Stabilität als monolithische Kerne | Systeme differieren stark -> kann zu einer fehlenden Unterstützung der Hardware- und Software-Hersteller führen |
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+### Vergleich monolithischer Kern / minimaler Kern
+![image_18.png](image_18.png)
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+## Alternative Architekturen
+_Flaschenhals_ alle bestehenden Systeme liegt in ihren Schichtenmodellen
+- Anwendung hat _keinen direkten Zugriff auf Hardware_
+- _Kommunikation und Datenfluss_ wird über Bibliotheken und deren Kernel abgewickelt
+- _Zugangskontrolle_ weiterhin über Bibliotheken und Kernel
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+## Programmierschnittstellen
+**Systemaufruf (System Call)** ist eine API, die es ermöglicht auf Dienste und Ressourcen des BS zuzugreifen
+- Implementierung von Systemaufrufen hängt stark von _Hardware_, _Architektur_, _BS_ ab
+- ![image_19.png](image_19.png)
+- Wann werden die benutzt?
+  - Berechtigungen, Ressourcenverwaltung, Kommunikation mit Hardware, Prozesssteuerung, Netzwerkkommunikation, Zeitverwaltung
+- Nutzung eines direkten Systemaufrufs **nicht empfehlenswert**
+  - Software ist schlecht portierbar
+  - Auf Funktionen von Bibliotheken zurückgreifen
+    - befinden sich mit entsprechenden Wrapper-Funktionen logisch zwischen Benutzer- und BS-Kern