3. Betriebssystemorganisation

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1 3. Betriebssystemorganisation 3.1 Monolithische Betriebssysteme Sammlung von Routinen, ohne Hierarchie, Kapselung und Schichtung. Jede Prozedur kann beliebige andere aufrufen und Datenstrukturen ändern. Die Folgen von Änderungen und Erweiterungen sind schwer abzuschätzen. Zum Beispiel: - klassische Batch-Betriebssysteme, - IBM OS/ Anwendungen Dispatcher OS - Routinen 32 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

2 3.2 Geschichtete Architekturen Verschiedene Abstraktionsebenen respektive Schnittstellen: - Programmierschnittstelle für die Anwendungsprogramme, - "Service-Provision", - Treiberschnittstelle, - schnittstellen. Anwendungen Dispatcher OS - Routinen Treiber 33 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

3 3.2.1 Hierarchisches Modell: Betriebssystem aus einer Hierarchie von Schichten aufgebaut. Die höhere Schicht n nimmt die Dienste der Schicht n-1 in Anspruch. Strenge Hierarchie erlaubt Zugriffe nur auf die nächst benachbarten Schicht. Zwischen den Schichten sind eindeutige Schnittstellen definiert. Beispiel: THE System (Dijkstra, 1968): - THE = Technische Hochschule Eindhoven. - für holländ. Computer (Electrologica X8). - einfaches Stapel-BS mit 6 Schichten: Benutzerprogramme E/A-Verwaltung (Lochstreifen, Drucker) Konsole-Verwaltung (Operator-Konsole) Speicher-Verwaltung (Arbeitsspeicher, Trommel) Prozessverwaltung (CPU-Vergabe, Interrupts,...) 0 34 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

4 3.2.2 Schalenmodelle: Anordnung der Funktionen in einer Folge konzentrischer Ringe. Innere Ringe sind privilegierter als Äußere. Aufrufe über Ringgrenzen hinweg mithilfe eines Software-Interrupts: - kontrollierter Übergang zw. Privilegstufen. - Überprüfung der Parameter - Unterstützung durch HW. Benutzer - x86 CPUs: 4 Ringe. Befehle Ergebnisse System-Call Steuerung Programme Kern HW Unix-Signale Interrupts 35 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

5 Traditioneller Unix-Kern: - Trennung User-/Kernel Space, - Ansonsten monolithischer Aufbau. - Unklare Schichtung beim Dateisystem, - Linux bietet zusätzlich dynamisch ladbare Module. - abstraktion, user-mode kernel-mode Dateisystem Benutzerprogramme Systemschnittstelle Prozesskontrollsubsystem Bibliothek en IPC Scheduler Puffer-Cache MemMgmt. Zeichen Block Gerätetreiber steuerung 36 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

6 3.2.3 Treppenmodelle: Rein hierarchische Schichtenmodelle oft mit Effizienzverlust, da immer alle Schichten durchlaufen werden. Spezifische Anwendungen, u.a. Grafik- und Echtzeitlösungen, erfordern oft schnelle Systemaufrufe. Treppenschichtenmodell: - Schichten können übersprungen worden, - aber Verlust der Kontrollmöglichkeit. Beispiel: MS-DOS => Programme COMMAND MSDOS.SYS IO.SYS ROM-BIOS 37 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

7 3.2.4 Beispiel Oberon: Schlanker Systementwurf, Sprachbasiertes Betriebssystem, Typensicherheit im Gesamtsystem, Wirth & Gutknecht (1992), ETH Zürich. 38 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

8 3.3 Mikrokern Systeme Zuverlässiger Mikrokern, etwa für: - Nachrichtenvermittlung & Prozessumschaltung, - Speicherverwaltung & Sicherheit... Dienste im Adressraum der Anwendung: - Bedieneroberfläche, - Dateiverwaltungen, - Kommunikation, - Beispiel: Mach, L4. Es herrscht Uneinigkeit darüber, was in einen Kern gehört. Mehr Stabilität, aber erheblich mehr Aufwand durch häufige Interprozesskommunikation. Anwendungen OS-Dienste Mikrokern Treiber 39 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

9 3.3.1 Beispiel Plurix: Typensicheres verteiltes Betriebssystem, Programmiersprache Java auch für OS, Schlanker Systementwurf: - Einfaches Prozessmodell, nur ein Adressraum, Vorbild Oberon. Objektorientierung: - Abbildung realer Ressourcen, hierarchische Vererbung, Persistenz der Objekte... CPU Input Network... Devices StationVector[ ] Station Root Naming Heap Memory Interrupts Kernel TransactionVector[ Transactions[ ] ] Transaction EventLoop Public Users Config Devices 40 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

10 Mehrere OS können auf einer Maschine betrieben werden. Virtuelle Maschinen sind Kopien der zugrunde liegenden : - Nachteil: Effizienzverlust. - Unterbrechungen, E/A, - Kern- und Benutzermodus... Monitor (Wirtsbetriebssystem): - simuliert, - fängt Systemaufrufe ab, - übernimmt Ausführen auf realer HW. 3.4 Virtuelle Maschinen virtuelle Maschinen AW AW AW AW BS BS BS BS Monitor Beispiele: - Erstes System IBM VM/370 (1972). - PC Simulatoren: VMWare und Bochs. - Virtueller 8086 Modus für Pentium-CPUs für 16-Bit MS-DOS Programme. - JVM (Java Virtual Machine) interpretiert plattformunabhängigen Bytecode. 41 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

11 3.5 Client / Server Architekturen Aufteilung in Client- und Server-Prozesse. Zwanglose Erweiterung auf verteiltes System. Keine Privilegien für Dienste im User-Mode. Validierung der Aufrufsparameter zum Dienst in Executive (gültige Handles, Zugriffsrechte,...). Anw. Executive Kern Treiber Services HAL 42 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

12 3.5.1 Fallbeispiel: Windows NT "Executive" in Windows NT OS-Funktionen im sicheren Teil des Systems (Kern). Security Monitor kooperiert mit Security-SS. VM für Adressräume und Paging. Security Monitor Object Manager verwaltet OS-Ressourcen. Prozess Manager für Prozesse & Threads. Objekt Manager Process Manager Kern LPC Kernel Mode Virtual memory Abstraktion E/A - Dateien - Cache - Drivers - Network "Local Procedure Calls" für Aufrufe über getrennte Adressräume hinweg. E/A-Manager: verwaltet und ruft Treiber: - async. Kommunikation & Umkopieren von Daten. - zusätzl. direct I/O: schneller, da ohne Umkopieren. 43 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

13 3.5.2 Subsysteme in Windows NT Kommunikation mit Subsystemen über den LPC Manager in der Executive. Kommunikation zw. Subsystemen ebenfalls per LPC (Local Procedure Call). Wechsel zum Kernel-Modus via INT 0x2e. Win32-Subsystem: - DLLs beim en: User32, Kernel32, GDI32, - LPC zum W32-Subsystem- Prozess CSRSS.exe. User Mode Win32 Win32 Win32 Subsystem Posix Posix Subsystem LPCs OS/2 OS/2 Subsystem MS-DOS Win32 K WoW lient Kernel Mode Virtuelle DOS Masch. User Mode 44 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

14 3.5.3 Virtuelle DOS Maschinen Eine Virtuelle Dos-Maschine (VDM) bildet eine reale DOS-Maschine nach: - E/A-Port Zugriffe abfangen & emulieren, - virtuelle Gerätetreiber in der VDM, - E/A-Unterbrechungen weiterreichen, KByte für DOS-Programme, - 16 MByte Adressraum für Win16 Programme. Pro MS-DOS Programm wird ein Thread in NTVDM Prozeß gestartet. 16-Bit Windows-Programme können optional in separaten NTVDMs gestartet werden: - kooperatives Multitasking... - WoW = "Windows on Windows" (16 on 32), 16 MBytes 640 KBytes Adressen & Instruktionsinterpreter 32-Bit Windows Manager & GDI Thunks 32-Bit MS-DOS Emulation Virtuelle Gerätetreiber Windows 3.11 Anwendungen Windows Mgr. & GDI Stubs Windows 3.11 Kern 16-Bit MS-DOS Emulation 45 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm

15 3.5.4 Koexistenz von 16- & 32-Bit Applikationen Thunk-Layer besorgt Konvertierungen: - Segm:Offset nach 32-Bit Adresse, - (DX,AX)-Register nach EAX.., - 16-Bit Stack nach 32-Bit Stack, - und umgekehrt, - etc.... Teile der 32-Bit Funktionen sind noch nicht implementiert und rufen wiederum 16-Bit Prozeduren. Win32 Win32 16-Bit 16-Bit 16-Bit Krnl386/Gdi/User.exe Thunk-Layer Kernel32 / Gdi32 / User32 / NTdll / Advapi.dll Kernel Mode / native NT-Funktionen 46 Betriebssysteme ss 04, P. Schulthess, VS Informatik, Ulm