Betriebssysteme Kap. 6: E/A-Systeme

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1 Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Betriebssysteme Kap. 6: E/A-Systeme Winfried E. Kühnhauser Wintersemester 2014/15 Winfried E. Kühnhauser CSI Technische Universität Ilmenau

2 Roadmap Anwendungsebene GUI MatLab Office ABS Google Earth Firefox Anwendungsschnittstelle (Application Programmer s Interface, API) Betriebssystem Betriebssystem-Dienste Prozessmanagement Dateisysteme Netzwerkmanagement Prozessor- Ressourcen Ressourcenmanagement Kommunikations- Ressourcen Speicher- Ressourcen E/A Ressourcen Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme

3 Fakt 85% der Ausfälle heutiger Standard-BSe haben ihre Ursache im E/A-System In diesem Kapitel warum das so ist was man dagegen tun kann Wie also funktioniert E/A? Hardware-Prinzipien Software-Prinzipien Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme

4 Ein Beispiel Programmierung eines Plattenlaufwerks Geräteschnittstelle ein Bündel von Kontroll-, Status-, Adress- und Datenregistern erreichbar über bestimmte ( Speicher -)Adressen Typische Operationen Start/Stopp/Zustandsabfrage des Spindelmotors Positionierung des Lese/Schreibkopfes Datentransferoperationen mit bis zu 13 Parametern codiert in 9 Byte in insgesamt 5 Kontroll/Status/Adressregistern aufgerufen durch Schreiben dieser 9 Byte in die Register Nach Abschluss einer Operation: Ergebnisanalyse 23 Status- und Fehlerbits, verteilt über diverse Kontroll- und Statusregister Traum eines jeden Softwareentwicklers Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme

5 Umgang damit Kapselung gerätespezifischer Merkmale Anzahl, Layout und Adressen der Kontroll-, Status- und Adressregister Gerätekommandos und Timing Fehlerbehandlung in gerätespezifischen Softwarekomponenten Gerätemanager ( Treiber ) hierauf aufbauende Abstraktionsschichten Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme

6 Abstraktionsebenen API Dateisystem class ext4fs{ public open(filename); read(file, buffer); write(file, buffer); } Ressourcenmanagement class HDResources { public request(device); release(device); seek(), readsector(), writesector(); } Betriebssystem elementare HDD-Abstraktion ( Treiber ) class HDDeviceDriver { public seek(track); readsector(sector, ); writesector(sector, ); } Laufwerk-Hardware Hardware Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme

7 6.1 Hardware-Prinzipien Prinzipieller Aufbau von E/A-Geräten Hardware/Software -Interface (Programmierschnittstelle): Controllerregister Controller-Logik Mechanik/ Elektronik Programmierparadigma Lesen und Schreiben von Kontroll- und Datenregistern; z.b.: Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Hardware-Prinzipien

8 Kommunikationsmuster mit einem Controller Das BS (Gerätemanager) schreibt einen Befehlscode in ein Kontrollregister schreibt Parameter in Datenregister setzt das Interrupt-Enable-Bit des Kontrollregisters setzt das go-bit des Kontrollregisters Wenn die Operation ausgeführt ist: Die Controller-Hard/Firmware löscht go- und Interrupt-Enable-Bits schreibt Ergebniscode in ein Statusregister setzt das ready-bit löst (evtl.) Interrupt aus Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Hardware-Prinzipien

9 Wie sieht ein BS diese Geräte-Register? adressiert über Arbeitsspeicheradressen 2 Varianten in separatem E/A Adressraum (I/O address space) Zugriff über spezielle Operationen (Prozessor-Instruktionssatz) auf I/O-Ports in regulärem physischen Adressraum (memory mapped I/O) Zugriff durch Einblendung in regulären virtuellen Adressraum virtuelle Adressen Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Hardware-Prinzipien

10 6.1.1 E/A-Adressräume... reguläre virtuelle Adressräume physischer Adressraum E/A- Adressraum mit I/O Ports Einbindung durch BIOS/EFI E/A-Adressraumzugriff über 2 (privilegierte!) Prozessorinstruktionen IN R8, #0x42 liest im E/A-Adressraum das auf Adresse 0x42 liegende Controllerregister (I/O-Port ) ins Prozessorregister R8 OUT #0x42,R8 schreibt den Inhalt von Prozessorregister R8 in das im E/A- Adressraum auf Adresse liegende Controllerregister Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Adressräume

11 Technik Bridge-Stellung bei Zugriff auf regulären physischen Speicher: Prozessor PCI Bridge Speicher-Bus Arbeits- Speicher E/A-Bus (PCI, ISA) USB Grafik Platte Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Adressräume

12 Technik Bridge-Stellung bei Zugriff auf E/A-Adressen: Prozessor PCI Bridge Speicher-Bus Arbeits- Speicher E/A-Bus (PCI, ISA) USB Grafik Platte Bridge-Adressraumumschaltung Benachrichtigen der PCI-Bridge durch eigene Busleitung veranlasst durch IN - und OUT -Instruktionen Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Adressräume

13 Probleme hiermit IN/OUT sind spezielle Operationen im Prozessorinstruktionssatz stehen in höheren Programmiersprachen nicht direkt zur Verfügung (Teile der) Gerätemanagementsoftware in nativem Code des Prozessors Schutzkonzept des E/A-Adressraums ist die Privilegierung der IN/OUT- Operationen (IO Privilege Level) extrem grobgranular: jeder Gerätemanager hat Zugriff auf sämtliche Geräte keine Isolation nicht vertrauenswürdiger Gerätemanager keine Fehlerisolation nicht sicher, nicht robust Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Adressräume

14 6.1.2 Memory Mapped I/O Controllerregisterzugriff über reguläre Speicherreferenzen (physische Adressen)... reguläre virtuelle Adressräume physischer Adressraum Einbinden durch BIOS/EFI Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Memory Mapped I/O

15 Technik Zugriff auf Controllerregister: Konfiguration der PCI-Bridge beim Booten: z.b. alle Adressen > 0xFF00... sind E/A-Register Prozessor PCI Bridge Speicher-Bus Arbeits- Speicher E/A-Bus (PCI, ISA) USB Grafik Platte Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Memory Mapped I/O

16 Schutzkonzept Abbildung verschiedener Geräte auf verschiedene Seiten des PA Abbildung dieser Seiten in verschiedene private VAe Isolation nicht vertrauenswürdiger Treibersoftware Robustheit, Sicherheit, kleine TCB (Mikrokernarchitekturen!) VA p VA q PA Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Memory Mapped I/O

17 Cave! E/A-Controllerregister sind hier Teil des Arbeitsspeichers Arbeitsspeicher unterliegt i.a. Caching-Mechanismen MMU muss nicht cachebare Seiten kennen (vgl. Kap ) (Cache bekommt Veränderungen der Controllerregister durch Gerät nicht mit!) Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Memory Mapped I/O

18 Varianten in der Praxis reiner E/A-Adressraum reine memory mapped I/O Hybridansätze (z.b. Pentium-Architektur): sowohl als auch VA PA EAA VA PA VA PA EAA E/A-Adressraum memory-mapped hybrid Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Memory Mapped I/O

19 6.2 Software-Prinzipien Wir wissen E/A-Operationen kosten viel Zeit Wartesituationen ökonomische Überbrückung Prozessor führt andere Aktivitäten durch am Ende einer E/A-Operation Prozessor erhält Nachricht (Interrupt) von E/A-Controllern erzeugt über Kommunikationsbusse dem Prozessor zugestellt dort asynchrone Unterbrechung des regulären Prozessablaufs Start der ISRs (vgl. Kap ) der Gerätemanager Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Software-Prinzipien

20 Gerätemanager ( Treiber ) gerätespezifische Software mit direktem Zugriff auf HW-Ressourcen Komponenten Auftragsannahme Schnittstelle zu höheren BS-Ebenen (Reader/Writer-Queues) Kommunikation mit Gerät (Controller-HW): Auftragserteilung Ergebnisanalyse (ISR, eingetragen in IVT, vgl. Kap ) Kommunikation mit Gerät (Controller-HW): Interruptbehandlung Kommunikation mit höheren BS-Ebenen: Ergebnisrückgabe readsector(), writesector(),... Auftragsannahme Ergebnisanalyse (ISR) Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Software-Prinzipien

21 Problemzonen In heutigen Standardbetriebssystemen nehmen Gerätemanager ca. 80% der Distributionssoftware ein Hardware spezifische Konfiguration liegt die Ursache ca. 85% aller Systemausfälle in (Fremd-) Gerätemanagern Komplexität der Programmierung: zeitliche Bedingungen, Parallelität, Synchronisation Diversität des Gerätezoos Diversität der HW- und Gerätemanager-Hersteller Innovationsfreudigkeit und time-to-market Bananensoftware massive Robustheits- und Sicherheitsprobleme Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Software-Prinzipien

22 Problemfolgen Management der Schwachstellen Treiberzertifizierung (automatisierte Korrektheitsanalysen) Flicken 42 wichtige Updates stehen bereit... Architekturprinzipien robuster und sicherer Systeme ( Kap. 7) Isolation nicht verifizierter (Treiber-) Software Ausfallerkennung und -behandlung Treiberwrapping, micro-reboot Mikrokernarchitekturen Betriebssysteme, WS 2015/16 wk Software-Prinzipien

23 Zusammenfassung Hardware-Prinzipien E/A-Adressräume Memory Mapped E/A Isolation, Robustheit, Sicherheit Software-Prinzipien Gerätemanager (Treiber) Auftragsmanagement ISRs readsector(), writesector(),... Auftragsannahme Ergebnisanalyse Betriebssysteme, WS 2015/16 wk E/A-Systeme