Betriebssystemtechnik

Betriebssystemtechnik ist das Herzstück der Informatik, das ermöglicht, dass Hardware und Anwendungssoftware effizient zusammenarbeiten. Du wirst lernen, wie Betriebssysteme wie Windows, MacOS oder Linux die Ressourcen deines Computers verwalten und einen reibungslosen Ablauf garantieren. Verstehe die Grundlagen der Betriebssystemtechnik, um die Leistung und Sicherheit deiner digitalen Geräte zu optimieren.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Einführung in die Betriebssystemtechnik

    Die Betriebssystemtechnik ist ein faszinierender Bereich der Informatik, der sich mit der Entwicklung und Verwaltung von Betriebssystemen beschäftigt. Diese Systeme sind das Rückgrat jedes Computers, und ohne sie könnte keine Software ausgeführt werden.

    Was ist Betriebssystemtechnik?

    Betriebssystemtechnik: Ein Zweig der Informatik, der sich mit Design, Entwicklung, und Optimierung von Betriebssystemen befasst. Betriebssysteme dienen als Vermittler zwischen der Hardware eines Computers und den Anwendungsprogrammen.

    Das Ziel der Betriebssystemtechnik ist es, effiziente, zuverlässige und benutzerfreundliche Systeme zu schaffen, die eine reibungslose Ausführung von Anwendungssoftware ermöglichen. Dies umfasst eine Vielzahl von Aufgaben, von der Verwaltung des Speichers und der Prozessverwaltung bis hin zur Dateiverwaltung und zur Sicherstellung der Sicherheit.

    class Betriebssystem {
      void start() {
        // Initialisiere Hardware
        // Starte Kernsysteme
        // Lade Benutzeroberfläche
      }
    
      void runApplication(String applicationPath) {
        // Lade Anwendung in den Speicher
        // Führe Anwendung aus
      }
    }
    Dieses einfache Codebeispiel verdeutlicht, wie ein grundlegendes Betriebssystem in Java aussehen könnte. Es zeigt die Initialisierung des Systems und die Ausführung einer Anwendung.

    Die Entwicklung eines Betriebssystems erfordert tiefgehende Kenntnisse in Systemprogrammierung und Hardware.

    Die Bedeutung von Betriebssystemtechnik im Informatik Studium

    Die Betriebssystemtechnik ist ein fundamentaler Bestandteil des Informatikstudiums, da sie Studierende mit den Grundlagen der Computerarchitektur und -organisation vertraut macht. Durch das Verstehen, wie Betriebssysteme funktionieren, erlernen Studenten entscheidende Konzepte, die für die Entwicklung aller Arten von Softwareanwendungen notwendig sind.

    Studierende, die sich auf Betriebssystemtechnik konzentrieren, erwerben Fähigkeiten, die über die Programmierung hinausgehen. Sie lernen, wie man komplexe Systeme analysiert, entwirft und optimiert, was ihnen einen Wettbewerbsvorteil auf dem Arbeitsmarkt verschafft. Die Betriebssystemtechnik legt den Grundstein für kritisches Denken und Problemlösungsfähigkeiten im IT-Bereich.

    Die Geschichte der Betriebssystemtechnik reicht zurück bis in die 1950er Jahre, als die ersten Betriebssysteme für Großrechner entwickelt wurden. Von Stapelverarbeitungssystemen zu den heutigen interaktiven, multitaskingfähigen Systemen hat die Betriebssystemtechnik eine lange Evolution durchgemacht, die das Verständnis der grundlegenden Prinzipien und Konzepte umso wichtiger macht.

    Betriebssystemtechnik Grundlagen

    Betriebssysteme sind das Herzstück eines jeden Computers oder mobilen Geräts. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Hardware und Software. Ohne sie könnten Anwendungen nicht auf die Ressourcen des Systems zugreifen. Die Betriebssystemtechnik umfasst alles, von der Entwicklung dieser Systeme bis hin zur Fehlerbehebung und Optimierung.

    Kernkomponenten eines Betriebssystems verstehen

    Jedes Betriebssystem besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um die Funktionalität zu gewährleisten. Zu diesen Komponenten gehören der Kernel, das Dateisystem, die Gerätetreiber und die Benutzerinterface. Der Kernel ist das Kernstück und verwaltet sowohl die Hardware als auch die laufenden Prozesse. Das Dateisystem organisiert, wie Daten auf einem Datenträger gespeichert und abgerufen werden. Gerätetreiber ermöglichen die Kommunikation des Betriebssystems mit der Hardware. Schließlich bietet das Benutzerinterface eine Schnittstelle für die Interaktion mit dem Computer.

    Kernel: Der zentrale Teil eines Betriebssystems, der die Kontrolle über die Hardware und die Ausführungsprozesse hat.

    if (neuesGerätAngeschlossen) {
      Kernel.ladeTreiber(fürGerät); 
      BenachrichtigeBenutzer(GerätBereit);
    }
    Dieser Pseudocode zeigt, wie der Kernel reagiert, wenn ein neues Gerät angeschlossen wird, indem er den entsprechenden Treiber lädt und den Benutzer benachrichtigt.

    Wie Betriebssysteme funktionieren

    Betriebssysteme agieren als Vermittler zwischen Anwendungssoftware und Hardware. Sie priorisieren Systemanforderungen, verwalten Speicherzuweisungen, verarbeiten Eingaben und Ausgaben und sorgen für Sicherheit. Eine wichtige Funktion ist die Verwaltung von Prozessen und Speicher - entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Effizienz eines Systems. Betriebssysteme nutzen Scheduling-Algorithmen, um zu bestimmen, welche Prozesse Ressourcen erhalten und in welcher Reihenfolge.

    Moderne Betriebssysteme unterstützen Multitasking, was bedeutet, dass sie mehrere Anwendungen gleichzeitig ausführen können. Dies wird durch Prozess-Scheduling ermöglicht, bei dem der Kernel Prozessen dynamisch CPU-Zeit zuweist. Ein weit verbreiteter Algorithmus hierfür ist der Round-Robin-Algorithmus, der jedem Prozess eine feste Zeitabschnitt zuweist.

    Die Effizienz eines Betriebssystems hängt stark von der Effizienz seines Kernels und den implementierten Scheduling-Algorithmen ab.

    Betriebssysteme einfach erklärt

    Vereinfacht gesagt, sind Betriebssysteme die Software, die es anderen Programmen ermöglicht zu laufen. Sie starten beim Einschalten des Computers, und von da an verwalten sie alle Ressourcen. Sie sind es, die entscheiden, welches Programm Zugriff auf den Speicher bekommt, Daten von der Festplatte lädt oder wie Druckaufträge verarbeitet werden. Ohne Betriebssystem würde kein Computer funktionieren, wie wir es gewohnt sind.

    Prozessmanagement in Betriebssystemen

    Prozessmanagement ist ein zentraler Teil der Betriebssystemtechnik. Es ermöglicht Betriebssystemen, Anwendungen effizient und sicher auszuführen. Durch das Verständnis des Prozessmanagements erlernst du, wie Betriebssysteme Ressourcen zuweisen, Prozesse planen und die Ausführung von Programmen koordinieren.

    Grundlagen des Prozessmanagements

    Das Prozessmanagement in Betriebssystemen befasst sich mit dem Erstellen, Ausführen und Verwalten von Prozessen. Ein Prozess ist eine Instanz eines ausführenden Programms, inklusive des Programm-Codes, des aktuellen Zustands und der zugehörigen Ressourcen wie Speicher. Prozesse werden durch das Betriebssystem in eine sequenzielle Ordnung gebracht, um die Nutzung der CPU und anderer Ressourcen zu optimieren.

    Prozess: Eine Ausführungseinheit, die den auszuführenden Code, den Programmzähler, Prozessstatusregister, Speicher und andere Betriebsmittelinformationen enthält.

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
      // Kindprozess
      execvp("/bin/ls", args);
    } else {
      // Elternprozess
      wait(NULL);
    }
    Dieses Codebeispiel in C demonstriert das Erzeugen eines Kindprozesses mit fork() und dessen Ausführung eines Programms /bin/ls durch execvp. Der Elternprozess wartet mittels wait auf die Beendigung des Kindprozesses.

    Scheduling und Deadlock-Vermeidung

    Im Herzen des Prozessmanagements liegt das Scheduling, welches bestimmt, welcher Prozess als nächstes die CPU-Zeit erhält. Ein effizientes Scheduling maximiert die CPU-Auslastung und minimiert die Antwortzeiten für Nutzer. Deadlocks entstehen, wenn zwei oder mehr Prozesse auf Ressourcen warten, die von einem der wartenden Prozesse gehalten werden, sodass keine Fortsetzung möglich ist. Die Vermeidung solcher Deadlocks ist entscheidend für die Stabilität des Systems.

    Scheduling-Algorithmen wie Round Robin oder Prioritätsscheduling sind Methoden, um zu entscheiden, welcher Prozess die CPU als nächstes nutzen darf. Round Robin weist jedem Prozess abwechselnd ein Zeitfenster zu, während beim Prioritätsscheduling Prozesse mit höherer Priorität bevorzugt werden. Deadlocks können durch Strategien wie Ressourcen-Hierarchie, präventive Zuweisung und Anforderungsmaxima vermieden werden.

    Synchronisation und Kommunikation in Betriebssystemen

    Um zu gewährleisten, dass Prozesse, die gemeinsame Ressourcen nutzen, nicht in Konflikt geraten, müssen Betriebssysteme Mechanismen zur Prozesssynchronisation anbieten. Diese Mechanismen wie Semaphore oder Monitore helfen, den Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen zu koordinieren, um die Integrität der Daten zu wahren. Darüber hinaus ermöglicht die Interprozesskommunikation(IPC) den Datenaustausch zwischen Prozessen.

    sem_t mutex;
    sem_init(&mutex, 0, 1);
    
    sem_wait(&mutex);
    // Kritischer Abschnitt
    sem_post(&mutex);
    
    Dieses Beispiel demonstriert die Nutzung eines Semaphors zur Synchronisation von Prozessen in C. Der Semaphore mutex wird genutzt, um den Zugriff auf den kritischen Abschnitt zu regeln, indem er sicherstellt, dass zu jedem Zeitpunkt nur ein Prozess diesen Abschnitt betreten kann.

    Die richtige Anwendung von Synchronisationstechniken ist entscheidend, um Deadlocks und Dateninkonsistenzen in Betriebssystemen zu vermeiden.

    Speicherverwaltung Betriebssystem

    Speicherverwaltung ist eine Schlüsselkomponente von Betriebssystemen. Sie ist dafür verantwortlich, den physischen und virtuellen Speicher eines Computers zu verwalten. Dies umfasst die Zuweisung von Speicherplatz für Programme und Daten sowie deren Freigabe, wenn sie nicht mehr benötigt werden.

    Wie funktioniert Speicherverwaltung in Betriebssystemen?

    Die Speicherverwaltung in Betriebssystemen funktioniert durch das Überwachen und Steuern des Speicherplatzes auf der Festplatte und im RAM. Sie ordnet Prozessen Speicher zu, wenn diese gestartet werden, und nimmt ihn wieder zurück, sobald sie beendet sind. Um dies effizient zu tun, nutzen Betriebssysteme verschiedene Techniken wie Paging, Segmentierung und virtuelle Speicherverwaltung.

    Speicherverwaltung: Ein Prozess, der im Betriebssystem ausgeführt wird, um den Speicherplatz eines Computers effizient zu nutzen, indem Speicherplatz zugewiesen, verschoben und freigegeben wird.

    // Pseudocode zur Speicherzuweisung
    Prozess A startet;
    Betriebssystem weist Prozess A Speicher zu;
    Prozess A endet;
    Betriebssystem gibt Speicher von Prozess A frei;
    
    Dieses Beispiel illustriert, wie einem Prozess Speicher zugewiesen und dieser wieder freigegeben wird, sobald der Prozess beendet ist.

    Paging und Segmentierung als Speicherverwaltungstechniken

    Paging und Segmentierung sind zwei grundlegende Techniken der Speicherverwaltung in Betriebssystemen. Paging teilt den Speicher in feste Blöcke, bekannt als Seiten, auf, während Segmentierung den Speicher in Segmente verschiedener Größen aufteilt. Beide Methoden ermöglichen es dem Betriebssystem, Speicher effizienter zu nutzen und Prozesse voneinander zu isolieren.

    Paging: Eine Speicherverwaltungstechnik, die den physischen Speicher in gleich große Blöcke aufteilt, um die Effizienz und Flexibilität der Speichernutzung zu erhöhen.

    // Beispiel für Paging
    Seitennummer: 1, Physischer Speicheradresse: 0001
    Seitennummer: 2, Physischer Speicheradresse: 0010
    // Beispiel für Segmentierung
    Segment: Code, Größe: 10KB
    Segment: Daten, Größe: 20KB
    
    In diesem Beispiel wird gezeigt, wie Paging Seitennummern zu physischen Speicheradressen zuordnet und wie Segmentierung unterschiedlich große Teile des Speichers für Code und Daten eines Programms nutzt.

    Speicherverwaltung und Multitasking

    Moderne Betriebssysteme unterstützen Multitasking, das gleichzeitige Ausführen mehrerer Prozesse. Die Speicherverwaltung spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem sie sicherstellt, dass jedem Prozess genügend Speicher zur Verfügung steht und dass die Prozesse sich nicht gegenseitig den Speicher streitig machen. Techniken wie Paging und Segmentierung erlauben es, den Speicher dynamisch verschiedenen Prozessen zuzuweisen und so einen effizienten Multitasking-Betrieb zu gewährleisten.

    Ein interessantes Konzept im Zusammenhang mit Multitasking und Speicherverwaltung ist der virtuelle Speicher. Er erweitert den verfügbaren Speicher, indem ein Teil der Festplatte als Erweiterung des RAM genutzt wird. So kann das Betriebssystem mehr Programme ausführen, als der physische Speicher allein zulassen würde. Virtueller Speicher verwendet sowohl Paging als auch Segmentierung, um die Illusion eines nahezu unbegrenzten Speichers zu erzeugen und gleichzeitig die Effizienz zu maximieren.

    Paging und Segmentierung verhindern nicht nur Speicherkonflikte zwischen Prozessen, sondern verbessern auch die Sicherheit, indem sie verhindern, dass Prozesse auf die Daten anderer Prozesse zugreifen.

    Übungen zur Betriebssystemtechnik

    Betriebssystemtechnik ist ein grundlegender Bestandteil des Informatikstudiums. Sie ermöglicht es dir, tief in die Funktionsweise moderner Computer einzutauchen. Um dein Wissen zu festigen und praktische Erfahrungen zu sammeln, sind Übungen unerlässlich. Im Folgenden findest du Übungen, die speziell für Anfänger entwickelt wurden, sowie weiterführende Aufgaben zur Vertiefung deiner Kenntnisse in den Bereichen Synchronisation, Kommunikation, Speicherverwaltung und Prozessmanagement.

    Betriebssystemtechnik Übungen für Anfänger

    Wenn du gerade erst mit der Betriebssystemtechnik beginnst, ist es wichtig, einen soliden Grundstein zu legen. Die folgenden Übungen helfen dir dabei, die Grundlagen zu verstehen:

    • Aufbau und Funktion eines Betriebssystems erkunden.
    • Grundlegende Befehle in der Kommandozeile üben (z.B. in UNIX oder Windows).
    • Eine einfache Batch-Datei oder Shell-Skript schreiben, um Aufgaben zu automatisieren.
    Beginne mit einfachen Aufgaben und steigere langsam den Schwierigkeitsgrad, um ein tiefes Verständnis der Materie zu entwickeln.

    Nutze Online-Ressourcen oder Betriebssystemsimulatoren, um praktische Erfahrungen zu sammeln, ohne dein Betriebssystem zu gefährden.

    Synchronisation und Kommunikation - Praktische Übungen

    Synchronisation und Kommunikation zwischen Prozessen sind Schlüsselaspekte in Betriebssystemen. Um diese Konzepte zu meistern, kannst du die folgenden praktischen Übungen ausprobieren:

    • Erstellen eines einfachen Programms, dass Prozesssynchronisation mit Semaphoren demonstriert.
    • Implementierung von Nachrichtenübermittlungssystemen zwischen Prozessen oder Threads durch Pipes oder Message Queues.
    • Anwendung von Monitoren oder Locks in einem Mehrthreading-Umfeld.
    Diese Aufgaben helfen dir, die Prozessinteraktion zu verstehen und wie Betriebssysteme Konflikte verhindern.
    // Ein einfacher Pseudocode für Semaphore
    Semaphore sem = 1;
    
    down(sem) {
      if (sem > 0) {
        sem--;
      } else {
        // Warten
      }
    }
    
    up(sem) {
      sem++;
    }
    Dieser Pseudocode zeigt die Grundoperationen eines Semaphors, wobei down den Eintritt in einen kritischen Abschnitt kontrolliert und up den Austritt signalisiert.

    Speicherverwaltung und Prozessmanagement - Übungen zur Vertiefung

    Für eine tiefergehende Untersuchung der Betriebssystemtechnik sind Speicherverwaltung und Prozessmanagement unerlässliche Bereiche. Vertiefe dein Wissen mit Übungen zu diesen Themen:

    • Entwurf eines einfachen Speicherverwaltungssystems, das Paging oder Segmentierung verwendet.
    • Simulation eines Schedulers für Prozesse, um verschiedene Scheduling-Algorithmen wie Round Robin oder FCFS (First-Come, First-Served) zu verstehen.
    • Erstellung eines Programms, das die Erzeugung und Verwaltung von Prozessen mittels Systemaufrufen demonstriert (z.B. fork(), exec(), wait()).
    Diese Aufgaben sind komplexer und benötigen ein gutes Verständnis der bisherigen Inhalte.
    // Pseudocode für ein einfaches Paging-System
    function allocatePage(processId, pageNumber) {
      if (checkAvailableMemory() >= pageSize) {
        assignMemory(pageNumber);
        updatePageTable(processId, pageNumber);
      } else {
        // Speicher voll, Fehlerbehandlung
      }
    }
    Dies zeigt, wie ein einfaches Paging-System eine Seite Speicher für einen Prozess zuweisen könnte, einschließlich der Überprüfung des verfügbaren Speichers und der Aktualisierung der Seitentabelle.

    Die Erstellung eines Betriebssystemsimulators kann eine umfassende Übung sein, die es dir ermöglicht, die Konzepte der Synchronisation, Speicherverwaltung und des Prozessmanagements in einer kontrollierten Umgebung anzuwenden. Durch die Simulation kannst du experimentieren und die Auswirkungen verschiedener Strategien und Algorithmen in realistischen Szenarien erkunden.

    Betriebssystemtechnik - Das Wichtigste

    • Betriebssystemtechnik: Ein Bereich der Informatik, der sich mit der Entwicklung und Verwaltung von Betriebssystemen beschäftigt und als Vermittler zwischen Hardware und Software eines Computers dient.
    • Kernel: Der zentrale Teil eines Betriebssystems, der die Kontrolle über Hardware und Ausführungsprozesse hat.
    • Prozessmanagement: Beinhaltet die Verwaltung von Prozessen im Betriebssystem, was die Erstellung, Ausführung und das Scheduling von Prozessen umfasst.
    • Speicherverwaltung: Verantwortlich für die Zuweisung von Speicherplatz an Programme und deren Freigabe; nutzt Techniken wie Paging und Segmentierung.
    • Synchronisation und Kommunikation: Mechanismen wie Semaphore und Monitore koordinieren den Zugriff auf gemeinsame Ressourcen und ermöglichen den Datenaustausch zwischen Prozessen.
    • Betriebssystemtechnik Übungen: Praktische Aufgaben zur Vertiefung von Kenntnissen in Bereichen wie Synchronisation, Speicherverwaltung und Prozessmanagement durch Simulation und Programmierung.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Betriebssystemtechnik
    Welche Programmiersprachen sollte ich beherrschen, um in der Betriebssystemtechnik erfolgreich zu sein?
    Um in der Betriebssystemtechnik erfolgreich zu sein, solltest du vor allem C und Assembly beherrschen. C ermöglicht die Entwicklung von systemnaher Software, während Assembly für die direkte Hardware-Interaktion unerlässlich ist.
    Was ist Betriebssystemtechnik und warum ist sie wichtig im Informatikstudium?
    Betriebssystemtechnik ist das Studium der Konstruktion, Funktionsweise und Verwaltung von Betriebssystemen, die als fundamentale Software-Basis für das Ausführen und Verwalten von Programmen dienen. Sie ist wichtig im Informatikstudium, da sie kritisches Verständnis für systemnahe Programmierung, Ressourcenmanagement und die Effizienz von Computern vermittelt.
    Wie funktionieren Betriebssysteme und was sind ihre Hauptkomponenten?
    Betriebssysteme vermitteln zwischen Hardware und Anwendungssoftware, indem sie Ressourcen verwalten, Prozesse steuern und Nutzerinteraktionen ermöglichen. Ihre Hauptkomponenten sind der Kernel (Kernsystem), der für die direkte Hardware-Kommunikation zuständig ist, die Systembibliotheken, die Schnittstellenfunktionen anbieten, und die Systemprogramme, die grundlegende Funktionalitäten zur Verfügung stellen.
    Welche Arten von Aufgaben erwarten mich in einem Kurs über Betriebssystemtechnik?
    In einem Kurs über Betriebssystemtechnik erwarten Dich Aufgaben zum Verständnis von Betriebssystemstrukturen, Prozessmanagement, Speicherverwaltung, Dateisystemen und der Synchronisation von Prozessen. Du lernst auch, wie Betriebssysteme mit Hardware interagieren und wie sie Systemressourcen verwalten.
    Welche beruflichen Perspektiven eröffnet die Spezialisierung auf Betriebssystemtechnik nach dem Studium?
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