Inf12 - Lernbereich 5: Betriebssysteme, Prozesse und Nebenläufigkeit (ca. 23 Std.)

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Lehrplantext

Kompetenzerwartungen: Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern den Zweck sowie die Aufgaben eines Betriebssystems und beschreiben dessen prinzipiellen Aufbau anhand eines Schalenmodells.
• vergleichen die Anforderungen, die an Betriebssysteme in unterschiedlichen Einsatzszenarien (z. B. Einzel- und Mehrbenutzerbetrieb) gestellt werden.
• nutzen und beschreiben Funktionen und Mechanismen von Betriebssystemen, die dem Schutz und der Sicherheit von elektronischen Geräten dienen, und erläutern, welche Sicherheitsrisiken mit Betriebssystemen verbunden sind. Dabei betrachten sie insbesondere die Rechteverwaltung in Betriebssystemen.
• beschreiben und bewerten unterschiedliche Scheduling-Strategien, die von Betriebssystemen bei der Prozessverwaltung eingesetzt werden, um den zeitlichen Ablauf von Prozessen zu regeln.
• analysieren parallele Abläufe an Alltagsbeispielen, insbesondere im Hinblick auf die Nutzung gemeinsamer Ressourcen, und begründen die Notwendigkeit der Synchronisation.
• modellieren anhand einfacher Beispiele die Nutzung gemeinsamer Ressourcen in einem Betriebsmittelzuteilungsgraph (z. B. Verwaltung von Druckaufträgen, Verkehrssituationen, Lagerverwaltung mit mehreren Lieferanten, Steuerung von Roboteranlagen) und analysieren diesen hinsichtlich einer möglichen Verklemmungssituation; sie erläutern die Coffman-Bedingungen und entwickeln daraus mögliche Maßnahmen zur Verhinderung von Verklemmungen in Anwendungssituationen.
• modellieren nebenläufige Prozesse bzw. Teilprozesse (Threads) mit Sequenzdiagrammen.
• erläutern das Monitor- und das Semaphorkonzept als mögliche Strategien zur Synchronisation nebenläufiger Prozesse.
• implementieren Beispiele mit nebenläufigen (Teil-)Prozessen und synchronisieren diese.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• zentrale Aufgaben eines Betriebssystems: Prozessverwaltung, Speicherverwaltung, Geräte- und Dateiverwaltung, Benutzerverwaltung
• Betriebssystemkern (Kernel), Kernelmodus (Kernel-Mode), Benutzermodus (User-Mode), Dienst, Schnittstelle, Systemaufruf
• Zugriffsrechte, Zugriffskontrolle, Authentifizierung
• Prozess, Prozesszustände (bereit, aktiv, blockiert, beendet), aktives und passives Warten, Prozess-Scheduler, Schedulingstrategien (First Come First Served, Round-Robin, Shortest-Job-First, Prioritätsscheduling)
• Nebenläufigkeit, Synchronisation, kritischer Abschnitt, wechselseitiger Ausschluss
• Betriebsmittel, Betriebsmittelzuteilungsgraph, Verklemmung (Deadlock), Coffman-Bedingungen, ununterbrechbare Ressource
• Monitorkonzept, Semaphorkonzept; leichtgewichtiger Prozess (Thread); Sequenzdiagramm
• Erzeuger-Verbraucher-Problem, Leser-Schreiber-Problem, Philosophenproblem