Betriebssystem-Architekturen. Prof. Dr. Margarita Esponda Freie Universität Berlin

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1 Betriebssystem-Architekturen Prof. Dr. Margarita Esponda Freie Universität Berlin

2 Betriebssystem-Architekturen Monolithische Systeme Mikrokernel-Architekturen Hybride-Architekturen Systeme mit Objektorientierten Techniken Virtuelle Maschinen

3 Betriebssystem-Architektur Die Anforderungen an ein Betriebssystem können sehr unterschiedlich sein. Ein Echtzeit-Betriebssystem für ein kleines Gerät unterscheidet sich sehr stark von einem Server-Betriebssystem, das zum Beispiel Informationen in einer Datenbank sucht. Was soll das Betriebssystem leisten? Policy Wie soll alles implementiert werden? Mechanism

4 Betriebssystem-Architektur Wenn die Anforderungen (Policy) getrennt von der Implementierung (Mechanism) sind, gewinnt man an Flexibilität. Im schlimmsten Falle führt jede Veränderung der Anforderungen zu einer Veränderung der Implementierung.

5 Betriebssystem-Architektur Viele kommerzielle Betriebssysteme hatten am Anfang keine richtige Struktur, weil Betriebssysteme mit sehr starken Hardware-Einschränkungen implementiert werden mussten. - sehr wenig Hauptspeicher - keine Festplatte - langsame Prozessoren - Assembler-Programmierung Beispiel: MS-DOS

6 Einfache Betriebssystemstruktur Beispiel: MS-DOS Disk Operating System 1981 Grundlegende Ein-/Ausgabe- Funktionalität "Basic Input/Output System" - Einbenutzer-System "single-user" - single-task kein Scheduler - keine Vernetzung - keine virtuelle Speicher - kein Sicherheits-System Silberschatz

7 Betriebssystem-Architektur Erste Betriebssysteme, die nicht nur im Assembler geschrieben worden sind: Master Control Program (MCP) Burroughs 1961 Executive Systems Programming Language (Erweiterung von Algol) Open Source Virtuelle Speicher MULTICS MIT PL/ Fernando J. Corbató sehr innovativ! Modularisiert Multitasking (time-sharing) single level store (mapped segments) dynamische Bindung (dynamic linking) on-line-konfigurierung Multiprozessor-System Sicherheitssystem Hierarchisches Dateisystem UNIX Bell Labs C Einfachheit

8 Schichtenstruktur Hier versucht man das Betriebssystem in verschiedenen Schichten zu organisieren, die von primitiven Funktionen zu komplexeren Funktionen gehen. Probleme Silberschatz Effizienz Klassifizierung der verschiedenen Schichten

9 Betriebssystemarchitektur Monolithische Systeme Die häufigste Struktur von Betriebssystemen ist die monolithische Struktur. Das Betriebssystem ist als eine Menge von Prozeduren realisiert. Jede Prozedur kann von jeder anderen aufgerufen werden. Die meisten monolithischen Betriebssysteme haben eine sehr einfache Struktur. Linux wird als monolithisches System eingeordnet.

10 Einfaches Monolithisches Betriebssystem Benutzerprogramme Programm1. Systemaufruf. Programm Programm3... Kernel-Aufruf Main-Prozedur Dienstprozedur 1 Utility-Prozedur 1 Kernel-modus Dienstprozedur 2... Utility-Prozedur 2... Dienstprozedur 3 Utility-Prozedur 3

11 Mikrokernel-Architekturen In den 80er Jahren wurde der Kernel von Unix-Betriebssystemen zu groß und komplex. In einigen Betriebssystemen wird versucht so viel Funktionalität wie möglich außerhalb des Kernels zu verlagern, so dass ein minimaler Mikrokern übrig bleibt. Die Funktionalität wird durch Server-Prozesse durchgeführt und der Mikrokern muss nur die Kommunikation zwischen Client- und Server-Prozessen durchführen. Carnegie Mellon University entwickelte das Mach Betriebssystem.

12 Mikrokernel Bibliotheken Prozess 1 (Kunde) Prozess n (Kunde) Dateiverwaltung Server Netzwerk Server Gerätetreiber Server Usermodus Grundfunktionen zur Synchronisation und Kommunikation Mikrokernel Funktionen zur Speicherund Prozessverwaltung Kernelmodus Hardware

13 Mikrokernel Eigenschaften: - Bessere Modularisierung - Mikrokernel mit stark reduzierter Funktionalität - minimale Prozessverwaltung - minimale Speicherverwaltung - Hauptaufgabe ist die Kommunikation mittels Nachrichtenverkehr Vorteile: - übersichtlicher - flexibler ACM Problem: - Kommunikations-Overhead

14 Mach-Betriebssystem Carnegie Mellon University Ersetzung des BSD-Kernel Die Probleme wurden größer: % Wachstum der CPU-Leistung 7% Verbesserung der Speicher-Zugriffe 1997 Richard Rashid 50% langsamer als UNIX Probleme innerhalb der IPC-Operationen - Menory-Mapping - Kontrolle von port-zugriffsrechten - Nachrichten-Validierung

15 Mach-Betriebssystem Mac OS X Anwendungsbereich gemeinsame Dienste Kernel- Bereich BSD Mach Beispiele QNX (Echtzeitbetriebssystem) Darwin (Mac OS X Kernel) Interessante Beispiele: Windows NT 4.0 Windows XP

16 MULTICS UNICS UNIX 1 UNIX 6 UNIX Syst. III BSD-Unix Minix Xenix BSD-4.2 Linux BSD-4.3 Mach Next GNU Hurd Mac OS X Linux 2.6 Suse Darwin Devian Ubuntu

17 Monolithisch vs. Mikrokernel vs. Hybride-Systeme System Call Applications Applications Applications VFS IPC, File System Scheduler, Virtual Memory Application IPC Device Server File Server UNIX Server Application IPC File Server Device Server UNIX Server Device Drivers, Dispatcher Hardware VM, Scheduling, Basic IPC, Hardware VM, Scheduling, Basic IPC, Hardware Monolithisch Mikrokernel Hybride-Kernel

18 Objektorientierte Struktur Modernere Lösung Modularisierte Struktur. Module werden am Anfang und zur Laufzeit dynamisch geladen. Es gibt einen zentralen Kernel (core kernel) und verschiedene ladbare Module. Alle Module definieren eine saubere Schnittstelle. Das zentrale Modul kann beliebige Module laden und problemlos und effizienter mit allen Modulen kommunizieren (ohne Nachrichtenverkehr). Höhere Schichten können Klassen aus tieferer Schicht erweitern.

19 Mikrokernel + Objektorientierte-Techniken Die Forschung geht weiter, weil Mikrokernel leicht zu erweitern, einfacher zu portieren, und sicherer sind. Optimierungen im Speicherverwaltung-Bereich Mikrokernel sind besonders interessant für die Entwicklung von Verteilten Betriebssystemen Plan 9 2K Inferno The Sprite OS Mach AgentOS WebOS Bell Labs UIUC Vita Nuova Berkeley CMU UCI Berkeley

20 Struktur mit objektorientierten Programmiertechniken Solaris Gerätetreiber Schedulerklassen Dateisysteme Verschiedene Dienste Core Kernel Systemaufrufe Streamming Ausführbare Formate Das Mac OS X Betriebssystem hat eine hybride Struktur, die Mikrokern und objektorientierte Programmiertechniken kombiniert.

21 Symbian OS Geschichte Es beginnt mit der Entwicklung der Handheld-Geräte (PDAs) Ende der 1980er 32-Bit-EPOC-Plattform entwickelt für PDAs Echtzeitperformance einer Smartphone- Plattform Symbian OS Kommunikation als zentrale Aufgabe Minimale Hardwareabhängigkeit

22 Ergebnis: Symbian OS modernes 32-Bit Betriebssystem objektorientiert mit einer Mikrokernelarchitektur hoher Modularisierungsgrad und Plattformunabhängigkeit Client/Server-Architektur (EPOC Engine-Modell) ein weiches Echtzeitsystem ( für Multimedia ) unterstützt Desktop-Funktionalität wie - Multitasking, Multithreading - erweiterbares Speichersystem effiziente Kommunikation sehr verbreitet in den Smartphones 2008 kaufte Nokia Symbian Ankündigung, dass Symbian OS 2009 open source werden soll

23 Objektorientiert Das Symbian-Betriebssystem wurde von Anfang an objektorientiert konzipiert. Die gesamte Nutzung der Systemaufrufe und Kern-Funktionen läuft über Schnittstellen. Der Kern stellt Kerndienste nur über Objekte zur Verfügung. Die Benutzung von Kernobjekten verläuft über Handles. Betriebsmittelschutz wird durch die Belegung von Objekten realisiert. Die Details der Systemimplementierung bleiben vor Benutzerprogrammen verborgen.

24 Mikrokerndesign Das Symbian OS wurde als ein mikrokernbasiertes Betriebssystem entwickelt. Im Kern gibt es nur eine minimale Anzahl von Systemfunktionen und Daten. Der Zugriff auf Systemressourcen erfolgt nur durch Verbindungen zu entsprechenden Ressourcen-Servern. Die meisten Systemfunktionen wurden auf Server des Benutzeradressraums verschoben. Die Server erhalten Handles auf Systemobjekte und führen mit diesen, wenn nötig, Systemaufrufe aus.

25 Mikrokerndesign Anwendungen Usermodus Middleware Server Server Server Server Server Kernelmodus Mikrokern + Gerätetreiber

26 Mikrokerndesign Vorteile Neue Implementierungen für Systemfunktionen können als Systemobjekte entworfen werden und dynamisch in den Kern eingefügt werden. Dateisysteme z.b. können zur Laufzeit zum Kern hinzugefügt werden. Mikrokerne sind klein und können sehr schnell gebootet werden. Server können erst nach Bedarf geladen werden. Nachteile Ein Systemaufruf benötigt einen Nachrichtenaustausch. Die Performance leidet durch das Kommunikations- Overhead zwischen Objekten.

27 Nanokern Ein Nanokern wurde als Lösung für die Performanceprobleme des Mikrokerns eingeführt. Der Nanokern stellt die grundlegendste Funktionalität zur Verfügung, die von privilegierten Nano-Threads ausgeführt wird. Scheduling-Operationen Synchronisationsoperationen Unterbrechungsbehandlung Einfache Synchronisationsobjekte (Mutexe und Semaphore) Die meisten Funktionen dieser Ebene sind unterbrechbar.

28 Symbian-OS-Kernschicht Funktionen mit einer komplexeren Implementierung werden in den Symbian-OS-Kern verschoben. Jede Funktion ist hier eine privilegierte Operation, die aus primitiven Operationen des Nanokerns besteht. Threads im Benutzermodus Prozess Scheduling und Kontextwechsel dynamischer Speicher dynamisch ladbare Bibliotheken komplexe Synchronisation Objekt- und Interprozesskommunikation andere komplexe Objektdienste usw.

29 Kernstruktur von Symbian OS Multimedia Telefon-Funktionen Nanokern Display Symbian-OS-Kern Sockets Mikrokern-Server Benutzeranwendungen

30 Client-Server-Ressourcenzugriff Das Mikrokerndesign verwendet ein Client/Server-Modell Anwendungen sind die Clients Server sind Programme, die das Betriebssystem laufen lässt, um den Zugriff auf die Ressourcen zu koordinieren. Vorteile passt besser zum objektorientierten Design und zur Mikrokern- Architektur Server können sich auf eine Klasse von Ressourcen spezialisieren geringere Entwicklungskosten

31 Client-Server-Ressourcenzugriff Das Öffnen einer Datei Symbian stellt für den Zugriff auf Dateien und Verzeichnisse einen Server bereit (Fileserver) Der Fileserver stellt eine Anwendungsschnittstelle (Client API) zur Verfügung, um Verzeichnisse und Dateien zu verändern. Um mit dem Fileserver zu arbeiten, muss zuerst eine Verbindung aufgebaut werden.... RFs session = icoeenv->fssession(); Rfile file; session.connect();... file.open(session,_l(dateiname),dfileread EFileWrite); file.write(_l8( "Bla Bla Bla Bla" )); session.close();...

32 Symbian OS

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34 2011 Symbian Apple Android

35 Virtuelle Maschinen Silberschatz Die ersten virtuellen Maschinen wurden 1972 von IBM entwickelt. Die Festplatte wurde in viele virtuelle Mini-Festplatten verwandelt.

36 Virtuelle Maschinen Mehrere Exemplare einer VM laufen auf einer realen Maschine. Verschiedene Betriebssysteme können gleichzeitig ausgeführt werden. Prozesse Prozesse Prozesse Linux MacOS Windows VM1 VM2 VM3 Virtuelle Maschine Implementierung Systemaufrufe Ein- Ausgabe- Operationen Beispiel: Hardware IBM VM Betriebssystem

37 Virtuelle Maschinen Vorteile: Mehr Schutz durch Isolierung zwischen den virtuellen Maschinen. Sehr gut für die Forschung und Entwicklung von Betriebssystemen. Neue Versionen des Betriebssystems können getestet werden. Software kann sehr leicht in verschiedenen Betriebssystemen getestet werden. Beispiele: VMware Java virtuelle Maschine CLR für die.net Framework

38 VMware-Architektur Quelle: "Operating System Concepts". Silberschatz, Galvin, Gagne

39 Android-Betriebssystem - basiert auf Linux Kernel mit Energieverwaltungssystem - verändertes Speicherverwaltungssystem - neue Treiber - Dalvik-VM als wichtigste Laufzeitumgebung - Register-Maschine - *.class *.dex - Jedes Java-Programm läuft in einer eigenen Dalvik-VM - mit eigenem Garbage-Collector

40 Android-Betriebssystem Java C/C++ Quelle: