Liebe Anhalter, wir haben auf unserer Reise gigantische Supercomputer, weltumspannende Grids und massive Cloud-Rechenzentren durchquert. Aber die wahre Herrschaft über das Universum liegt nicht in riesigen Server-Racks. Die meisten der heute produzierten Prozessoren (unglaubliche 98%) werden in sogenannten eingebetteten Systemen (Embedded Systems) verwendet[cite: 1].

Sie verrichten unsichtbar und geräuschlos ihren Dienst in Waschmaschinen, Kühlschränken, Fernsehern, DVD-Playern, Espressomaschinen, Mobiltelefonen, Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen[cite: 1]. Ein modernes Auto ist letztlich nichts anderes als ein lokales Netzwerk aus Dutzenden autonomen, eingebetteten Systemen[cite: 1].

Historisch gesehen sind Embedded Systems keine Erfindung der Neuzeit[cite: 1]. Das erste bemerkenswerte moderne eingebettete System war der Apollo Guidance Computer[cite: 1]. Er wurde von Charles Stark Draper zusammen mit dem MIT Instrumentation Laboratory entwickelt[cite: 1]. Jeder Flug zum Mond hatte zwei dieser Systeme an Bord: eines im Kommandomodul und eines in der Mondlandefähre (LEM)[cite: 1]. Obwohl dieses System anfangs als eine der riskantesten Komponenten des Apollo-Projekts galt, schrieb es Geschichte[cite: 1].

Die massenhafte Verbreitung begann jedoch schon etwas früher mit der Minuteman-Rakete, deren Wege-Such-System nach einmaliger Programmierung ein völlig unabhängiges Manövrieren ermöglichte[cite: 1]. Durch diese militärische Massenproduktion wurden integrierte Schaltungen schnell für jedermann erschwinglich[cite: 1].

Während Desktop-PCs primär auf der x86-Architektur basieren, ist die Welt der Embedded Systems extrem divers. Sie können auf verschiedensten CPU-Architekturen realisiert werden, darunter 8051, ARM, AVR, MIPS, PowerPC, 68k/Coldfire, Intel x86, 68HC12, C167 oder Renesas M16C[cite: 1]. Die Elektronik bildet dabei meist ein Mikroprozessor mit entsprechender Peripherie oder ein hochintegrierter Mikrocontroller[cite: 1].

Warum installieren wir nicht einfach Windows 11 auf einem Herzschrittmacher? Weil Standard-Betriebssysteme auf „Durchsatz“ und „Fairness“ optimiert sind. Wenn eine Kaffeemaschine eine Millisekunde länger für die Berechnung der Wassertemperatur braucht, ist das egal. Wenn aber das ABS-Steuergerät eures Autos eine Zehntelsekunde zu spät auf einen Interrupt reagiert, weil der Kernel gerade Paging auf die Festplatte betreibt, ist das fatal.

Deshalb nutzt man in kritischen Systemen stark spezialisierte Betriebssysteme, sogenannte Real-Time Operating Systems (RTOS) wie:

• QNX[cite: 1]
• VxWorks[cite: 1]
• Nucleus[cite: 1]
• OSEK[cite: 1]
• OS-9[cite: 1]
• RTEMS[cite: 1]

In Geräten mit weniger kritischen Echtzeitanforderungen (wie Unterhaltungselektronik) finden zunehmend eingebettete Versionen von Standardbetriebssystemen eine riesige Ausbreitung[cite: 1]:

• Embedded Linux[cite: 1]
• Android[cite: 1]
• NetBSD[cite: 1]
• Windows CE und XP Embedded[cite: 1]

Wir stehen vor einem massiven Problem: Computersysteme werden bei gleichen Kosten immer leistungsfähiger und kleiner, und die drastisch gestiegene Bandbreite erlaubt eine völlig flexible Verteilung von Komponenten[cite: 1]. Das führt jedoch dazu, dass künftige Systeme derart unfassbar komplex werden, dass sie von menschlichen Administratoren klassisch nicht mehr fehlerfrei steuerbar sind[cite: 1].

Die Lösung? Ein Paradigmenwechsel, der auf einem OCI-Workshop 2003 formuliert wurde: Computer müssen sich an den Menschen anpassen, nicht umgekehrt[cite: 1]. Die Bedienung muss intuitiv werden[cite: 1]. Wir nähern uns dem Ideal des „Calm Computing“ (nach Mark Weiser, Xerox PARC): Ein System unsichtbarer, in die Umgebung eingebetteter Rechner, die unauffällig arbeiten und nur bei Bedarf ihre Dienste anbieten[cite: 1].

Damit Computersysteme diese Komplexität beherrschen können, müssen sie Eigenschaften entwickeln, die sie lebensähnlich (organisch) erscheinen lassen[cite: 1].

Organische Computersysteme bestehen aus autonomen und kooperativen Teilsystemen, die selbstorganisierend arbeiten[cite: 1]. Diese Selbstorganisation erlaubt adaptives und kontextabhängiges Verhalten durch die sogenannten „self-x Eigenschaften“[cite: 1]:

• selbst-konfigurierend: Das System erkennt neue Komponenten und bindet sie autonom ein[cite: 1].
• selbst-optimierend: Das System lernt aus der Lastverteilung und passt Parameter dynamisch an[cite: 1].
• selbst-heilend: Fällt ein Node aus, übernimmt das restliche System ohne menschlichen Eingriff[cite: 1].
• selbst-schützend: Das System erkennt Angriffe (z.B. DDoS) und riegelt sich ab[cite: 1].
• selbst-erklärend: Das System kann seinen Zustand und seine Entscheidungen für Administratoren transparent darstellen[cite: 1].

Die Gesellschaft für Informatik (GI) und die Informationstechnische Gesellschaft im VDE (ITG) haben faszinierende Anwendungsszenarien definiert[cite: 1]:

• Smart Factory: Autonome Roboter bilden durch spontane Vernetzung dynamische Föderationen, um Aufgaben zu erledigen[cite: 1]. Fällt ein Roboter aus, wird dies erkannt und die Arbeit blitzschnell neu verteilt[cite: 1].
• Smart Warehouse: Artikel werden überwacht[cite: 1]. Ein Chip im Tiefkühlspinat registriert lückenlos, ob er über die gesamte Versorgungskette hinweg stets korrekt gekühlt wurde[cite: 1].
• Smart Network / Smart Grid: Das Internet versorgt Anwender als weltweiter Parallelrechner mit Leistung, der sich selbst heilt und optimiert[cite: 1].
• Anthropomatik: Die Informatik gleicht individuelle, krankheits- oder altersbedingte Leistungseinbußen des Menschen aus[cite: 1].
• Der vertrauenswürdige Computer: Ein System, das den persönlichen Datenbereich schützt[cite: 1]. Ein Zugriff von außen erfolgt nur nach expliziter Interaktion des Benutzers[cite: 1]. Die Basis kann eine Chipkarte mit biometrischer Sensorik sein, wodurch elektronische Unterschriften möglich werden, ohne sensible Informationen preiszugeben[cite: 1].
• Roboter im Haushalt: Zukünftige autonome Haushaltsroboter (erwünscht von 39% der Frauen und 25% der Männer laut einer VDE-Umfrage) erfordern als Schlüsseltechnologie zwingend biologisch inspirierte Informationsverarbeitung[cite: 1].

Um all dies zu realisieren, braucht es radikal neue Ansätze[cite: 1]:

• Dynamisch rekonfigurierbare Hardware: Chips, deren innere Verschaltung dynamisch geändert werden kann. Ein Beispiel ist „Software Defined Radio“, bei dem sich ein Gerät über Software an völlig neue Funkstandards anpasst[cite: 1].
• Komponententechnologie: Software besteht künftig aus „leicht- bis federgewichtigen“ Strukturen, die nicht mehr zwingend lokal liegen müssen, sondern deren Funktionen transparent aus der Entfernung aufgerufen werden[cite: 1].
• Energieeinsparung: Da Chips durch Abwärme limitieren und mobile Geräte begrenzte Batterien haben, muss Energiemanagement auf Schaltkreis-, Architektur- und Betriebssystemebene ineinandergreifen[cite: 1].
• Kontext-sensitive Interfaces: Geräte filtern Informationen anhand der augenblicklichen Situation des Nutzers, um ihn nicht zu überfluten[cite: 1].
• Entkoppelte Schnittstellen: Ein „Personal Server“ in der Hosentasche (ein PDA) koppelt sich spontan über drahtlose Technologien (wie Ultra Wide Band - UWB) mit Monitoren oder Tastaturen, die gerade in der Nähe sind[cite: 1].

Nichts von all dem, was ihr in den letzten zwei Wochen gelernt habt, wäre ohne die Pioniere der Informatik möglich gewesen. Das Skript widmet diesen Vordenkern eine eigene Ehrengalerie[cite: 1]. Lest ihre Namen und lernt aus ihren Ideen:

• Konrad Zuse: Erfinder des ersten vollautomatischen Computers (Z3, 1941) der Welt[cite: 1].
• Andrew S. „Andy“ Tanenbaum: Entwickler von Minix, Amoeba und Autor legendärer Betriebssystem-Literatur[cite: 1].
• Ken Thompson & Dennis Ritchie: Die Väter des Unix-Betriebssystems und der Programmiersprache C[cite: 1].
• Linus Torvalds: Initiator und Koordinator des Linux-Kernels[cite: 1].
• Gary Kildall: Erfinder von CP/M und dem ersten PC-BIOS[cite: 1].
• Fernando José „Corby“ Corbató: Pionier der Time-Sharing-Betriebssysteme (CTSS, Multics)[cite: 1].
• Charles Stark Draper: Vater der inertialen Navigation (Apollo Guidance Computer)[cite: 1].
• Ramnath K. Chellappa: Prägte den Begriff des „Cloud Computing“[cite: 1].
• Ian Foster & Carl Kesselman: Die Begründer des Grid Computings[cite: 1].
• Herman Hollerith: Erfinder des Lochkartenverfahrens in der Datenverarbeitung und Gründer der IBM[cite: 1].
• Sir Timothy John Berners-Lee: Erfinder von HTML und dem World Wide Web[cite: 1].
• Stephen Gary Wozniak: Erschuf den Apple I und Apple II im Alleingang[cite: 1].
• William „Bill“ Gates: Gründer von Microsoft und prägende Figur der PC-Betriebssysteme[cite: 1].
• Bill Hewlett & David Packard: Gründer des Technologiekonzerns HP in einer Garage in Palo Alto[cite: 1].
• Matthew Gray: Schrieb 1993 mit dem „Wanderer“ den ersten automatisierten Web-Spider[cite: 1].
• Sergey Brin & Larry Page: Begründer der Suchmaschine Google und Erfinder des PageRank-Algorithmus[cite: 1].

Ihr habt es geschafft! Wer alle 10 Module durchgearbeitet hat, weiß nun, dass ein Betriebssystem weit mehr ist als nur ein Boot-Screen. Es ist ein hochkomplexer Dirigent, der Prozesse, Speicher, Hardware und Netzwerke orchestriert.

Um euer Wissen für die B.Sc. Prüfung zu testen, findet ihr in Kapitel 14 des offiziellen Skripts umfangreiche Übungsfragen zu allen Themen[cite: 1]. Geht sie durch. Versucht, die Antworten nicht nur auswendig zu lernen, sondern die Konzepte dahinter zu begreifen.

Und vergesst nicht: DON'T PANIC!

Quellen & Materialien
Dieses Modul basiert auf dem Lehrskript „Betriebssysteme“ der German-Baltic Management School.[cite: 1]