Betriebssystem-Wissen
Was zwischen dem Einschalten und dem ersten Klick passiert – und was ein Betriebssystem eigentlich tut.
Was ein Betriebssystem ist
Der Vermittler
Programme wollen rechnen, speichern, zeichnen und Töne ausgeben. Das Betriebssystem verteilt dafür Prozessor, Arbeitsspeicher, Festplatte und Geräte – damit sich die Programme nicht in die Quere kommen. Kein Programm muss dafür wissen, welche Festplatte oder welche Grafikkarte im Rechner steckt – es fragt das Betriebssystem, und das spricht mit dem Gerät.
Bekannte Beispiele
Auf dem Rechner Windows, macOS und Linux, auf dem Handy etwa iOS. Auch das verbreitetste Handy-System baut auf dem Linux-Kernel auf. Betriebssysteme stecken aber auch dort, wo man keins sieht: in Routern, Fernsehern und Autos.
Zwei Welten
Der Kern arbeitet mit allen Rechten direkt an der Hardware. Programme laufen getrennt davon mit eingeschränkten Rechten – stürzt eines ab, reißt es nicht das ganze System mit. Will ein Programm etwas, das nur der Kern darf, bittet es ihn über einen Systemaufruf darum.
Die Teile
Kernel
Das Herz des Systems. Er verwaltet Speicher, Prozesse und Geräte und entscheidet, welches Programm wann rechnen darf. Er ist das erste, was nach dem Bootloader startet, und das letzte, was beim Herunterfahren endet.
Treiber
Kleine Programme, die dem Kernel erklären, wie ein bestimmtes Gerät angesprochen wird – Grafikkarte, Drucker, Tastatur. Fehlt der passende Treiber, bleibt ein Gerät stumm, auch wenn es richtig angeschlossen ist.
Prozesse
Jedes laufende Programm ist ein Prozess. Der Kernel wechselt so schnell zwischen ihnen, dass alles gleichzeitig zu laufen scheint. Rechner mit mehreren Prozessorkernen lassen tatsächlich mehrere Prozesse zur selben Zeit laufen – meist aber immer noch weniger, als gerade offen sind.
Speicherverwaltung
Jeder Prozess bekommt seinen eigenen Bereich im Arbeitsspeicher und kann nicht in den eines anderen schreiben. Wird der Arbeitsspeicher knapp, lagert das System selten gebrauchte Teile auf die Festplatte aus; das ist langsamer, verhindert aber einen Absturz.
Dateisystem
Die Ordnung auf der Festplatte: Wo eine Datei liegt, wie groß sie ist, wer sie lesen darf. Ohne Dateisystem wäre eine Festplatte nur eine lange Reihe von Bytes ohne Namen.
Oberfläche
Desktop, Fenster, Taskleiste, Startmenü – das, was man sieht. Technisch ist sie ein Programm wie andere auch. Deshalb lässt sie sich austauschen, ohne den Kernel darunter zu ändern – genau das tut AetherOS auf Debian.
Selbst nachsehen
Prozesse, Speicher und Dateisystem sind keine Theorie. Jedes System zeigt sie her, wenn man weiß, wo:
| was | unter Windows | unter Linux |
|---|---|---|
| laufende Prozesse und ihr Speicher | Task-Manager: Strg + Umschalt + Esc, Reiter „Prozesse“ | im Terminal top oder ps aux |
| Laufwerke und ihre Dateisysteme | „Datenträgerverwaltung“ im Startmenü suchen | lsblk -f |
| wie lange der Rechner schon läuft | Task-Manager, Reiter „Leistung“, Feld „Betriebszeit“ | uptime |
| welche Fassung läuft | Windows + R, dann winver | uname -r zeigt die Fassung des Kernels |
Nachsehen ändert nichts. Beenden sollte man einen Prozess im Task-Manager nur, wenn man weiß, was er tut – mancher davon hält das System am Laufen.
Vom Einschalten bis zum Desktop
| Schritt | was passiert |
|---|---|
| 1 · Firmware | Die Firmware auf der Hauptplatine (heute meist UEFI, früher BIOS) prüft die Hardware und sucht ein startfähiges Laufwerk. |
| 2 · Bootloader | Ein kleines Programm lädt den Kernel in den Arbeitsspeicher. Sind mehrere Systeme installiert, fragt meist er, welches starten soll. |
| 3 · Kernel | Der Kernel startet, erkennt die Geräte und lädt ihre Treiber. |
| 4 · Erster Prozess | Er startet die Dienste des Systems: Netzwerk, Ton, Anmeldung. Unter Linux ist das heute meist systemd; alle anderen Prozesse stammen von ihm ab. |
| 5 · Oberfläche | Zum Schluss kommt der Desktop – jetzt kann man arbeiten. Was vorher auf dem Bildschirm vorbeiläuft, sind meist die Meldungen der Schritte davor. |
Die ersten Bytes
Der Bootsektor
Beim klassischen BIOS-Start liest die Firmware den ersten Sektor eines Laufwerks: 512 Bytes. Nur wenn er mit den Bytes 55 AA endet, gilt er als startfähig. In die übrigen 510 Bytes muss ein Programm passen, das den Rest des Systems nachlädt – mehr Platz gibt es an dieser Stelle nicht.
Real Mode
Nach dem Einschalten arbeitet ein x86-Prozessor zuerst im 16-Bit-Modus – wie der 8086 von 1978. Firmware oder Bootloader schalten danach auf 32 oder 64 Bit um. Im Real Mode sieht der Prozessor nur rund ein Megabyte Speicher, ohne jeden Schutz zwischen den Programmen.
UEFI
Reines UEFI braucht keinen Bootsektor. Es startet ein Programm aus einer eigenen, mit FAT formatierten Partition: der EFI-Systempartition. Die Firmware merkt sich, welches Programm dort starten soll – so können mehrere Systeme nebeneinander liegen.
Der Textmodus
Im klassischen VGA-Textmodus hat der Bildschirm 80 Spalten und 25 Zeilen. Jedes Zeichen belegt zwei Bytes: eines für das Zeichen, eines für die Farbe. Das ergibt 4.000 Bytes für den ganzen Bildschirm; der Speicher dafür beginnt bei der Adresse 0xB8000.
Bei Aerona: Der Compiler der Sprache .ae schreibt so einen Bootsektor selbst, mit 55 AA am Ende. Der eigene Kernel zeichnet im Textmodus mit 80 × 25 Zeichen.
Was Linux ist
Ein Kernel
Linux ist streng genommen nur der Kernel. Linus Torvalds hat ihn 1991 veröffentlicht; heute arbeiten Tausende daran. Er läuft auf Servern, in Supercomputern und auf Handys ebenso wie auf dem Schreibtisch.
Distributionen
Erst zusammen mit Programmen, Oberfläche und Paketverwaltung wird daraus ein ganzes System – eine Distribution wie Debian oder Ubuntu. Ubuntu baut selbst auf Debian auf; Distributionen unterscheiden sich vor allem darin, welche Programme sie mitbringen und wie oft sie sich erneuern.
Freie Software
Der Quellcode ist offen. Jede und jeder darf ihn lesen, ändern und weitergeben, solange die Lizenz eingehalten wird. Beim Linux-Kernel ist das die GPL in Fassung 2: Wer eine veränderte Fassung weitergibt, muss auch deren Quellcode offenlegen.
Dateisysteme im Vergleich
| Dateisystem | typisch für | Besonderheit |
|---|---|---|
| FAT32 | USB-Sticks, Speicherkarten, EFI-Partition | Fast jedes Gerät kann es lesen. Eine einzelne Datei darf höchstens knapp 4 GB groß sein. |
| exFAT | große USB-Sticks und Speicherkarten | Ohne die 4-GB-Grenze von FAT32. Kein Journal – beim Abziehen mitten im Schreiben kann eher etwas verloren gehen. |
| NTFS | Windows | Rechte für jede Datei und ein Journal, das nach Abstürzen hilft, die Ordnung wiederherzustellen. |
| ext4 | Linux | Ebenfalls mit Journal; bei vielen Distributionen der Standard. |
| APFS | macOS und iOS | Für SSDs gebaut, mit Schnappschüssen. |
Bei Aerona: Der Installer von AetherOS legt zwei Bereiche an – eine EFI-Partition mit FAT32 und 512 MiB, den Rest mit ext4.
Benutzer und Rechte
Normale Benutzer
Sie dürfen ihre eigenen Dateien ändern, aber nicht das System selbst. Ein Fehler oder ein schädliches Programm trifft damit höchstens ihre eigenen Daten.
Das volle Konto
Unter Windows heißt es Administrator, unter Linux und macOS root. Es darf alles – auch Fehler mit großen Folgen machen.
sudo
Unter Linux führt sudo einzelne Befehle mit erhöhten Rechten aus. Welche erlaubt sind, legt eine Regeldatei fest. Meist fragt es vorher nach dem eigenen Passwort – ein kurzer Halt, der vor versehentlichen Eingriffen schützt.
Warum das schützt
Ein Programm mit einfachen Benutzerrechten kann weniger kaputt machen. Deshalb arbeitet man im Alltag besser ohne Adminrechte.
Bei Aerona: Die Oberfläche von AetherOS läuft als Benutzer ohne Adminrechte. Im Live-System darf er nur vier Aktionen mit erhöhten Rechten ausführen.
Live-System und Installation
- Abbild schreiben. Ein Programm schreibt die ISO-Datei eines Systems auf einen USB-Stick. Einfaches Kopieren reicht nicht: Der Stick muss danach selbst startfähig sein, und was vorher darauf war, ist weg.
- Vom Stick starten. Beim Einschalten wählt man im Startmenü der Firmware den Stick aus.
- Ausprobieren. Das Live-System läuft vom Stick und lässt die Festplatte in der Regel unberührt. Änderungen sind nach dem Neustart meist weg. So kann man prüfen, ob die Geräte erkannt werden, bevor man etwas festlegt.
- Installieren. Ein Installer kopiert das System dauerhaft auf die Festplatte und richtet den Bootloader ein.
Bei Aerona: Das Abbild von AetherOS startet als „Live-System & Installer“. Ein Windows-Helfer startet den PC neu und öffnet das Menü für den erweiterten Start. Dort wählt man den Stick unter „Ein Gerät verwenden“.
Und AetherOS?
Heute: Linux als Startbasis
Unter AetherOS läuft Debian. Daraus entsteht ein startfähiges Abbild für den USB-Stick.
Eigene Oberfläche
Desktop, Taskleiste, Startmenü, Fenster und Einstellungen sind selbst gebaut.
Ein eigener Kernel
In der eigenen Sprache .ae entsteht ein eigener Kernel – 62 Dateien Code mit 9.735 Zeilen, noch nicht fertig. Der eigene Kernel
Zu AetherOS
Was es kann und wie weit es ist.
