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1 Betriebssysteme (BS) VL 14 Zusammenfassung und Ausblick Daniel Lohmann Lehrstuhl für Informatik 4 Verteilte Systeme und Betriebssysteme Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg WS Februar

2 Lernziele VL 1 Vertiefen des Wissens über die interne Funktionsweise von Betriebssystemen Ausgangspunkt: Systemprogrammierung Schwerpunkt: Nebenläufigkeit und Synchronisation Entwickeln eines Betriebssystems von der Pike auf OOStuBS / MPStuBS (neu!) Lehrbetriebssysteme Praktische Erfahrungen im Betriebsystembau machen Verstehen der technologischen Hardware-Grundlagen PC-Technologie verstehen und einschätzen können Schwerpunkt: Intel x86 / IA-32 dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 2

3 Überblick Vorlesungen Anwendung(en) Gerätezugriff (Treiber) Kontrollflussabstraktion Unterbrechungssynchronisation Prozessverwaltung Unterbrechungsbehandlung Interprozesskommunikation Hardware dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 3

4 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! VL 1 VL 2 VL 3 VL 4 VL 5 VL 6 VL 7 VL 8 VL 9 VL 10 VL 11 VL 12 VL 13 Einführung BS-Entwicklung IRQs (Hardware) IRQs (Software) IRQs (Synchronisation) Intel IA-32 Koroutinen und Fäden Scheduling BS-Architekturen Fadensynchronisation PC Bussysteme Gerätetreiber IPC dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

5 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 1. Ein Streifzug durch die PC-Architektur VL 1 VL 2 VL 3 VL 4 VL 5 VL 6 VL 7 VL 8 VL 9 VL 10 VL 11 VL 12 VL 13 Einführung BS-Entwicklung IRQs (Hardware) IRQs (Software) IRQs (Synchronisation) Intel IA-32 Koroutinen und Fäden Scheduling BS-Architekturen Fadensynchronisation PC Bussysteme Gerätetreiber IPC dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

6 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 1. Ein Streifzug durch die PC-Architektur IA-32: Protected Mode Segmente Segment Register SS GS FS ES DS CS Selektor Tabelle SS GS FS ES DS Flags CS Limit Startadresse Segmentdeskriptoren + effektive Adresse + Basis-Register Index-Register dl Betriebssysteme (VL 6 WS 10) IA x Startadresse des Segments Scale 1, 2, 4 oder 8 Displacement (im Befehl) Limit Operand lineare Adresse 0 0 linearer Adressraum Interaktion mit PCI Geräten Segmentgrenze selektiertes Gerätetreiber Segment Speicheradressraum 0xFFFFFFFF 0x xFFFFFFFF (0xFFFF beim PC)... I/O-Adressraum... PCI Geräte PCI Initialisierung 0x Konfigurationsadressraum 0:1.0 PCI BIOS 0:1.1 0:2.0 dl Betriebssysteme (VL 11 WS 10) PC-Bussysteme dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

7 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 2. Kontrollflüsse und ihre Interaktionen VL 1 VL 2 VL 3 VL 4 VL 5 VL 6 VL 7 VL 8 VL 9 VL 10 VL 11 VL 12 VL 13 Einführung BS-Entwicklung IRQs (Hardware) IRQs (Software) IRQs (Synchronisation) Intel IA-32 Koroutinen und Fäden Scheduling BS-Architekturen Fadensynchronisation PC Bussysteme Gerätetreiber IPC dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

8 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 2. Kontrollflüsse und ihre Interaktionen Prioritätsebenenmodell Kontrollflüsse können die Ebene wechseln Mit cli wechselt ein E0-Kontrollfluss explizit auf E1 er ist ab dann nicht mehr unterbrechbar andere E1-Kontrollflüsse werden verzögert ( Sequentialisierung) Mit sti wechselt ein E1-Kontrollfluss explizit auf E0 er ist ab dann (wieder) unterbrechbar anhängige E1-Kontrollflüsse schlagen durch ( Sequentialisierung) E0 (unterbrechbar) E1 (nicht unterbrechbar) t unterbricht cli sti t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 verzögert unterbricht E0 Fadenebene dl Betriebssysteme (VL 5 WS 10) Unterbrechungen, Synchronisation Prioritätsebenenmodell 5 13 (unterbrechbar, verdrängbar) unterbricht (implizit) kann verzögern (explizit) Erweitertes Prioritätsebenenmodell Kontrollflüsse auf El werden 1. jederzeit unterbrochen durch Kontrollflüsse von Em (für m > l) 2. nie unterbrochen durch Kontrollflüsse von Ek (für k l) 3. jederzeit verdrängt durch Kontrollflüsse von El (für l = 0) E1/2 Epilogebene (unterbrechbar, nicht verdrängbar) E1 Unterbrechungsebene (nicht unterbrechbar, nicht verdrängbar) Kontrollflüsse der E0 (Fadenebene) sind verdrängbar. Für die Konsistenzssicherung auf dieser Ebene brauche wir zusätzliche Mechanismen zur Fadensynchronisation. dl Betriebssysteme (VL 10 WS 10) Fadensynchronisation Prioritätsebenenmodell mit Fäden dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

9 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 2. Kontrollflüsse und ihre Interaktionen VL 1 Einführung VL 2 BS-Entwicklung Ü 0 Einführung VL 3 IRQs (Hardware) Ü 1 Ein-/Ausgabe VL 4 IRQs (Software) Ü 2 IRQ-Behandlung VL 5 IRQs (Synchronisation) VL 6 Intel IA-32 Ü 3 IRQ-Synchronisation VL 7 Koroutinen und Fäden VL 8 Scheduling Ü 4 Fadenumschaltung VL 9 BS-Architekturen Ü 5 Zeitscheiben-Scheduling VL 10 Fadensynchronisation VL 11 PC Bussysteme Ü 6 Fadensynchronisation VL 12 Gerätetreiber VL 13 IPC Ü 7 Eine Anwendung (opt.) dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

10 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 2. Kontrollflüsse und ihre Interaktionen machine CPU IO_Port Key Keyboard_Controller PIT toc CGA_Screen PIC Plugbox thread Dispatcher Coroutine object Chain Locker Scheduler Entrant Queue Guard Stringbuffer Secure List O_Stream Gate guard Bellringer Bell Keyboard Panic Watch Organizer Customer Waitingroom CGA_Stream Semaphore Buzzer meeting device Guarded_Organizer Thread Guarded_Semaphore Guarded_Buzzer Guarded_Keyboard Random syscall library Application... user dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

11 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 3. BS-Konzept allgemein und am Beispiel (Windows/Linux) VL 1 VL 2 VL 3 VL 4 VL 5 VL 6 VL 7 VL 8 VL 9 VL 10 VL 11 VL 12 VL 13 Einführung BS-Entwicklung IRQs (Hardware) IRQs (Software) IRQs (Synchronisation) Intel IA-32 Koroutinen und Fäden Scheduling BS-Architekturen Fadensynchronisation PC Bussysteme Gerätetreiber IPC dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

12 Was wir gemacht haben Drei inhaltliche Schwerpunkte! 3. BS-Konzept allgemein und am Beispiel (Windows/Linux) Multi-Level Queues Abarbeitung Quantum Priorität (0 ist hoch, 139 niedrig) fest List-Head List-Head List-Head List-Head... Task Task Task Task Task Task Windows typischer E/A-Ablauf groß 100 List-Head 1 NtWriteFile(file_handle, char_buffer) (800ms) 101 List-Head Task Systemdienste 1 über das Dateiobjekt wird das normal... Dateisystem und der Treiber (100ms) 2 gefunden 138 List-Head Dateisystem- 3 2 Daten an bestimmten Byte- treiber Offset 4 in in Datei schreiben klein 139 List-Head Task Task 3 Position auf Datenträger (5ms) berechnen Abarbeitung 5 E/A- 4 E/A Platten- Auftrag weitergeben 6 Manager 5 Daten dl Betriebssysteme (VL 8 WS 10) Fadenverwaltung 8 26 treiber an best. Byte Offset 7 auf Datenträger schreiben 6 Position in in Plattennr. und Offset umrechen Platten- 8 7 E/A Auftrag weitergeben treiber 8 Daten an best. Byte Offset auf Platte 2 schreiben 9 9 Phys. Block berechnen und Operation initiieren 10 Rückkehr zum Anwendungsprozess! dl Betriebssysteme (VL 12 WS 10) Gerätetreiber dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 4

13 Zusammen eine ganze Menge! Gerätezugriff (Treiber) Anwendung(en) Kontrollflussabstraktion Unterbrechungssynchronisation Prozessverwaltung Unterbrechungsbehandlung Betriebssysteme Interprozesskommunikation Betriebssystementwicklung Hardware dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 5

14 Realitätscheck: MPStuBS richtiges BS Es fehlt noch eine ganze Menge... Speicherverwaltung und Prozesskonzept Dateisystem und Programmlader Netzwerk und TCP/IP... dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 6

15 Realitätscheck: MPStuBS richtiges BS Es fehlt noch eine ganze Menge... Speicherverwaltung und Prozesskonzept Dateisystem und Programmlader Netzwerk und TCP/IP... dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 6

16 Realitätscheck: MPStuBS richtiges BS Es fehlt noch eine ganze Menge... Speicherverwaltung und Prozesskonzept Dateisystem Anteil undan Programmlader Treibercode im (halbwegs) aktuellen Linux Netzwerk und 60 TCP/IP./usr... Bedeutung von Gerätetreibern (1) /usr/src/linux $ du -k --max-depth=1. sort -n 60./usr net 9% 96./samples fs 8% 372./virt 472./init arch 24% sound 4% /<...> kernel 2% 4568./mm 5292./crypto 5864./firmware <...> 13% 9516./kernel /debian /Documentation /include /sound /fs /net drivers 40% /arch /drivers dl Betriebssysteme (VL 12 WS 10) Gerätetreiber 12 6 dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 6

17 Realitätscheck: MPStuBS richtiges BS Es fehlt noch eine ganze Menge... Speicherverwaltung und Prozesskonzept Dateisystem und Programmlader Netzwerk und TCP/IP... Beispiel Linux [4] Aug 91 Linux 0.01: bash, Dateisystem Jan 92 Linux 0.12: Virtueller Speicher (Paging) Mär 92 Linux 0.95: X-Windows, Unix Domain Sockets (jetzt fehlte nur noch Netzwerk!) Mär 94 Linux 1.00: Netzwerk und TCP/IP dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ziele und Zielerreichung 14 6

18 Evaluation dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Evaluation 14 7

19 Evaluationsergebnisse Vergleich mit den Vorjahren WS 10: n=9 (29%) mw=1.42 WS 09: n=19 (100%) mw=1.34 WS 08: n=7 (27%) mw=1.41 WS 07: n=16 (50%) mw=1.39 dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Evaluation 14 8

20 Profilline dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Evaluation 14 9

21 Kommentare An der Lehrveranstaltung gefällt mir besonders Ausgedruckte Folien, Vorstellung der Implementierungen in verschiedenen Betriebssystemen (wenn auch manchmal etwas zu ausführlich) Top Veranstaltung! Gefiel mir sehr gut! guter Dozent! Stoff gut dargestellt! Zusammenhaenge und Praxisbezug werden hergestellt praktisch Orientiert, viel über Geschichtliches super Veranstaltung, klasse Dozent, der trotz der fruehen Uhrzeit und der immer weniger werdenden anwesenden Studenten das Interesse am Stoff wecken kann. Anspruchsvoller Stoff, keine Frage, aber trotzdem immer gut und verstaendlich erklaert. dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Evaluation 14 10

22 Kommentare (Forts.) An der Lehrveranstaltung gefällt mir weniger (bis jetzt) nichts über Dateisysteme, es sollte kurz der Aufbau eines Massenspeichermediums und dessen Verwendung angesprochen werden Der Termin. Die Vorlesung könnte teilweise etwas mehr in die Tiefe gehen, da einiges (z.b. schedueling) schon aus SP bekannt ist (bzw. sein sollte). Viel zu frueh. Weiterhin möchte ich anmerken Freue mich schon auf weitere Veranstaltungen im Master vom Lehrstuhl 4 Gerne noch mehr kleine Exkurse (historische Gegebenheiten, Fehler etc. - warum ist es so, wie es ist?), denn diese waren meiner Ansicht nach sehr interessant. für mich bis jetzt die interessanteste Vorlesung in meinem Studium dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Evaluation 14 11

23 Wie geht es weiter? (Bachelor/Master) 3 Systemprogrammierung 10 ECTS 4 5 EZS 5 7,5 BS 5 7,5 SysSec 5 MW 5 7,5 1/3 6 EZSL P: 10 HotSYS P: 10 BST 5 7,5 VS 5 7,5 2/4 Examensarbeit / Projektarbeit BA / SA, MA / DA, PA dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick SS 2011 am Lehrstuhl 14 12

24 Hinter der Kulisse: BST in aller Kürze... BST Betriebssystemtechnik Betriebssysteme Federgewichtsprozesse Synchronisation Gastsystem Softwaretechnik Variabilität Programmfamilie Wiederverwendbarkeit dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Betriebssystemtechnik 14 13

25 Fallstudie: Fadenbaugruppe BST Operationsprinzip [1, 3] statisch konfigurierbar und ggf. dynamisch änderbar in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall auslegen Informationsstruktur Fäden, Fortsetzung invariant zu haltender Prozessorstatus beim Warten kontextabhängig mehrere Gewichtsklassen min. Befehlszähler (PC), max. kompletter Registersatz problemspezifisch ausgeprägte Aktivitätsträger Makro, Prozedur, Methode, Koroutine, Faden gemeinsam bzw. allein benutzter Laufzeitstapel Kontrollstruktur Einplanung, Koordinierung nicht verdrängend, ggf. aber unterbrechend arbeitend verdrängend arbeitend: verzögert, unverzögert Fadenfamilie dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Betriebssystemtechnik 14 14

26 Pthreads [2] BST Anwendung Anwendung Pthreads API Pthreads Bibliothek Pthreads Subsystem Stammbetriebssystem Stammbetriebssystem dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Betriebssystemtechnik 14 15

27 Pthreads de LUXE BST Anwendung Pthreads API Anwendung Pthreads API Fadenverwaltung LUXE Stammbetriebssystem Betriebsmittelzugriff Auftragseinplanung Ablaufsteuerung Kontrollflusswechsel Stammbetriebssystem dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Betriebssystemtechnik 14 16

28 Nomen est omen... BST Bausatz folgerichtiger Betriebssystemanbauteile = LUCSE logical (dt. folgerichtig) unit (dt. Anbauteil) construction-set (dt. Bausatz) environment (dt. Ausstattung) (CS X) LUXE in bester Tradition mit Multics und Unix: (Multi Uni) (cs x) dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Betriebssystemtechnik 14 17

29 Examensarbeiten am LS4 BA/SA/DA Zur Zeit im Angebot: 19 Bachelorarbeiten 9 Masterarbeiten 12 Studienarbeiten 12 Diplomarbeiten Projektarbeiten in der Mache (bei Bedarf fragen) dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Examensarbeiten 14 18

30 Das war s :-) Das Lehrstuhl 4 BS-Team wünscht erfolgreiche und erholsame Semesterferien... und ein Wiedersehen im Sommersemester 2011! dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Ausblick 14 19

31 Referenzen [1] Wolfgang K. Giloi. Rechnerarchitektur. Berlin Heidelberg u.a.: Springer-Verlag, ISBN: [2] Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. IEEE Std c-1995 Thread Extensions. New York, NY, USA, [3] Wolfgang Schröder-Preikschat. Betriebssysteme Grundlagen, Entwurf, Implementierung. Springer, [4] Linus Torvalds and David Diamond. Just for Fun: The Story of an Accidental Revolutionary. HarperCollins, ISBN: dl Betriebssysteme (VL 14 WS 10) 14 Zusammenfassung und Ausblick Referenzen 14 20

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