Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Frühe Betriebssysteme, geschützte CPU-Befehle, CPU-Modus

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1 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme (CS201): Frühe Betriebssysteme, geschützte CPU-Befehle, CPU-Modus 2. November 2012 Prof. Dr. Christian Tschudin Departement Mathematik und Informatik, Universität Basel Repetition und Diskussion Was ist ein Betriebssystem (was ist alles damit gemeint)? Darf ein Betriebssystem programmiersprach-abhängig sein? c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 2/21

2 Uebersicht Frühe Betriebssysteme siehe OSC Slides ( Dinosaurier-Buch ) Ergänzungen: OS-Galerie Multics JAVA-OS Geschützte CPU-Befehle, CPU-Modus, System Call siehe OSC Slides , 3.14 Software Interrupt, Exception, Trap, und der SVC c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 3/21 Frühe Betriebssysteme OSC Slides Slidesatz B c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 4/21

3 Dokumentation zu Betriebssystemen im Netz Beispiele: Multics wichtiges historisches Referenzprojekt, Einfluss auf UNIX Konzept der Schutzringe (siehe nächstes Slide) JavaOS (siehe übernächstes Slide) Java VM direkt auf HW laufen lassen, d.h. Zusatzdienste sind ohne darunterliegendes OS bereitzustellen c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 5/21 Multics Protection Rings Privilegierter Systemkern Ringe: abnehmende Privilegien Prozesse in äusseren Ringen rufen Dienste innerer Ringe ab c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 6/21

4 Struktur von JavaOS Bemerkung: JavaOS (ab 1996) wird seit 2006 nicht mehr weiterverfolgt. andere Projekte, ein volles OS in Java zu schreiben. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 7/21 Geschützte CPU-Befehle, CPU-Modus, System Call OSC Slides , 3.14 Slidesatz C c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 8/21

5 Exceptions Den Interrupt-Mechanismus für CPU-Fehlerzustände gebrauchen: Division durch Null Ungültiger Speicherzugriff (Bereich, Alignment ) Ungültiger Op-Code Zweifacher Fehler ( double fault )... Im Englischen: Exception, Trap oder Software Interrupt genannt c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 9/21 Exceptions (Fortsetzung I) Behandlung: Jedem Fehler wird eine (Interrupt)-Nummer zugewiesen Interrupt-Vektoren-Tabelle Im Fehlerfall: - Aufruf des entsprechenden Interrupt-Handlers c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 10/21

6 Exceptions (Fortsetzung II) Unterschied zwischen Exception and Interrupt (Hardware- und Software-Interrupt): Exceptions sind synchron das Ereignis ist mit bestimmter Stelle im Code verknüpft Interrupts sind asynchron das Ereignis kann an irgend einer Code-Stelle eintreffen Bei Exceptions ist die Bearbeitung identisch, aber ein anderes Ziel: die Aktion des fehlerhaften Programmes korrigieren. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 11/21 Supervisory Call (SVC) Mit der Exception-Bearbeitung geht ein CPU-Moduswechsel einher: Exception-Handler benötigt wie Interrupts erweiterte Zugriffsrechte Moduswechsel von Software-Interrupts für Betriebssystem- Aufrufe nutzen Ablauf: Register mit Parameter laden, inkl OS-Dienst (Syscall-Nr *) SVC (Trap) auslösen, z.b. 0x80 für Linux und Intel Resultat aus Register lesen. *) siehe /usr/src/kernels/linux /include/asm-i386/unistd.h c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 12/21

7 Betriebssystem-Aufruf User space (unprivilegierter Modus) Kernel space (privilegierter Modus) Trap Library für OS Dienste Trap system call, supervisory call Kann direkt im Programm erfolgen (asm), oft innerhalb einer Library (C-Bindings) zur Verfügung gestellt c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 13/21 Zustände eines (UNIX)-Prozesses new schedule() exit() ready wakeup() (durch einen anderen Prozess) preempt waiting running sleep_on() Blockierender SVC: Zustandswechsel running waiting c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 14/21

8 Blockierender Betriebssystem-Aufruf Annahme: Systemaufruf, um Daten zu lesen, IO-Device nicht bereit. Aufrufender Prozess muss sich selbst suspendieren. Massnahmen des Prozesses: überprüfen, ob Ressource (Resultat) bereit ist, falls nicht: Notiz hinterlassen, dass er daran interessiert, CPU einem anderen Prozess übergeben, oder schlafen, wenn reaktiviert: Ressource nochmals prüfen. In UNIX: Falls eine Ressource (wieder) verfügbar wird, werden ALLE darauf wartenden Prozesse reaktiviert. Alle Prozesse müssen nochmals überprüfen: der erste gewinnt. c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 15/21 Pseudo-Code für das Blockieren im Kernel for(;;) { if (resource_is_ready()) break; request_the_resource(); sleep_on(resource_condition); /* block */ /* continue and use the resource... */ Siehe Linux Dateien: /usr/src/linux-source-2.x.y/kernel/sched*.c Siehe auch später: Monitor-Konzept c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 16/21

9 Implementierung von sleep on (Linux 2.2.x) sleep_on(struct wait_queue **p, int state) { unsigned long flags; struct wait_queue wait = { current, NULL ; if (!p) return; if (current == task[0]) panic("task[0] trying to sleep"); current->state = state; add_wait_queue(p, &wait); save_flags(flags); sti(); schedule(); remove_wait_queue(p, &wait); restore_flags(flags); c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 17/21 Implementierung von wake up (Linux 2.2.x) void wake_up(struct wait_queue **q) { struct wait_queue *tmp; struct task_struct *p; if (!q!(tmp = *q)) return; do { if ((p = tmp->task)!= NULL) { if ((p->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE) (p->state == TASK_INTERRUPTIBLE)) p->state = TASK_RUNNING; tmp = tmp->next; while (tmp!= *q); c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 18/21

10 Implementierung von schedule (Linux 2.2.x) asmlinkage void schedule(void) { int c; struct task_struct *p, *next; sti(); /*... hier weiterer Code für die Behandlung von UNIX Signalen... */ c = -1; for (next = p = &init_task;;) { if ((p = p->next_task) == &init_task) break; if (p->state == TASK_RUNNING && p->counter > c) c = p->counter, next = p; /*... Fortsetzung auf nächstem Slide... */ c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 19/21 Implementierung von schedule (Forts.) /*... Fortsetzung von vorherigem Slide... */ if (!c) { for_each_task(p) /* dies ist ein Macro! */ p->counter = (p->counter >> 1) + p->priority; switch_to(next); /* und dies versteckt Assembler-Code */ Erläuterungen zu neuen Linux-Versionen sind zu finden unter z.b. /usr/src/linux-source /documentation/scheduler/ c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 20/21

11 Bemerkung zu jüngeren Linux-Versionen Immer mehr Makros, um Portabilität zu erhöhen. Beispiel: sleep on() in Linux void sleep_on(wait_queue_head_t *q) { SLEEP_ON_VAR current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE; SLEEP_ON_HEAD schedule(); SLEEP_ON_TAIL Kernel-Lektüre wird schwieriger, viele Indirektionen, sched.c hat in 2.4.x mehr als 100 Zeilen, in mehr als ! c Christian Tschudin CS201 Rechnerarchitektur und Betriebssysteme, , 21/21

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