Aufbau eines modernen Betriebssystems (Windows NT 5.0)

Transkript

1 Aufbau eines modernen Betriebssystems (Windows NT 5.0) Moritz Mühlenthaler Proseminar KVBK

2 Gliederung 1.Das Designproblem a) Überblick b) Design Goals c) Möglichkeiten der Strukturierung 2. Umsetzung der Design Goals in NT 5.0 a) Architektur Überblick b) Aufbau der User Mode Komponenten c) Aufbau des Kernels 3. Zusammenfassung 2

3 Gliederung 1. Das Designproblem a) Überblick b) Design Goals c) Möglichkeiten der Strukturierung 2. Umsetzung der Design Goals in NT 5.0 a) Architektur Überblick b) Aufbau der User Mode Komponenten c) Aufbau des Kernels 3.Zusammenfassung 3

4 Probleme (1) Sehr hohe Lebensdauer UNIX ist etwa 25 Jahre alt Windows ist etwa 10 Jahre alt Platformunabhängigkeit trotz Unterschiedlicher Hardware Umgebungen Unabhängig voneinander designter HW Komponenten Komplexes Resourcen Management Benutzer wollen ihre Daten vor Zugriffen anderer schützen I/O Geräte müssen sich HW Resourcen teilen (Interrupts, DMA Kanäle,...) Komponenten hängen stark zusammen 4

5 Probleme (2) Abwärtskompatibilität Einschränkungen / Eigenarten der früheren Version(en) müssen berücksichtigt werden Betriebssysteme sind sehr grosse Programme UNIX i.d.r > 1 Mio Zeilen Code Windows NT ~ 29 Mio Zeilen Code Unmöglich zu überblicken! Betriebssysteme sollten trotzdem einfach und einheitlich programmierbar sein... 5

6 Design Goals Welche Ziele sollte man also beim Entwurf im Auge behalten? Erweiterbarkeit Portierbarkeit Zuverlässigkeit Kompatibilität Sicherheit Effizienz 6

7 Möglichkeiten der Strukturierung (1) 1. Schichten Modell Verringerung der Komplexität durch Einteilung in Schichten Weit verbreitet (siehe UNIX, Windows) System Call Handler File System 1... File System n Virtual Memory Treiber 1... Treiber n Threads, Thread Scheduling, Thread Syncronisation Interrupt Handling, Context Switching, MMU Hardware abstrahieren Nach Tanenbaum Kernel Mode 7

8 Möglichkeiten der Strukturierung (2) 2. Exokernel Prinzip: Alles, was der Benutzer programmieren kann, soll er auch selber machen Es wird z.b. kein Dateisystem vorgegeben Einzige Aufgabe des Kernels ist das sichere Belegen und Freigeben von Resourcen Alle anderen Dienste sind User Libraries ( LibOS ) App 1 App 2 Ex OS Exokernel OO OS Nach Engeler '95 LibOS User Mode Kernel Mode 8

9 Möglichkeiten der Strukturierung (3) 3. Client Server Systeme Grösster Teil des OS läuft im User Mode Kommunikation durch den Microkernel Eignet sich gut für verteilte Systeme Viele Context Switches nicht sehr effizient Client Process Client Process Process Server Terminal Server... File Server Memory Server User Mode Microkernel Kernel Mode Nach Tanenbaum 9

10 Gliederung 1. Das Designproblem a) Überblick b) Design Goals c) Möglichkeiten der Strukturierung 2. Umsetzung der Design Goals in NT 5.0 a) Architektur Überblick b) Aufbau der User Mode Komponenten c) Aufbau des Kernels 3.Zusammenfassung 10

11 Architektur-Überblick Schichten Modell NT Executive im Kernel Mode Effizienz Hardwarezugriff in HAL gekapselt Portierbarkeit Anwendungen Environment Subsystems NT Executive NT Kernel Hardware Abstraction Layer (HAL) Hardware User Mode Kernel Mode 11

12 Aufbau der User Mode Client Server Modell: Komponenten Anwendungen kommunizieren mit dem Kernel über die Environment Subsystems Kompatibilität NT Native API ständig erweitert OS/2 Apps (!?) Normale Anwendungen sind von der Native API unabhängig, Emulation der jeweiligen OS API im Env Subsystem User Mode Kernel Mode OS/2 Subsystem Win32 Apps Win32 Subsystem NT Native API Windows NT Executive POSIX Apps POSIX Subsystem Applications (Clients) NT Executive (Server) 12

13 Aufbau des Kernels (1) Wegen starker Abhängigkeiten nur schwer in Module gliederbar im Prinzip Monolithisch Frühere User Mode Module wie das GDI jetzt im Kernel Mode Effizienz NT Native API I/O Mgr Filesys Object Mgr Process Mgr Memory Mgr Security Mgr... Power Mgr LPC Mgr Win32 GDI NT Kernel Hardware Abstraction Layer (HAL) Hardware 13

14 Aufbau des Kernels (2) Einige Kernel Module: Object Manager Zentrale Rolle: Alle Resourcen sind Objekte (Threads, Files,...) Repräsentation durch Handles Reference Counting Security Manager Vergibt und überprüft Zugriffsrechte auf Objekte Access Token wird an Objekte angehängt Process Manager Erstellt, löscht, startet und stoppt Prozesse kein Scheduling ( > Kernel) 14

15 Aufbau des Kernels (3) LPC Manager Interprozesskommunikation: Apps Env Subsystems Aus Geschindigkeitsgründen keinen normalen IPC Mechanismen NT Kernel Thread Scheduling (Preemptive Scheduler, 32 Priority Levels) Software / Hardware Interrupts, Exceptions Stellt Kernel Objects zur Verfügung (Mutex, Semaphor, Event,...) Hardware Abstraction Layer (HAL) Bildet Bus Adressen auf Logische Adressen ab Clock, Timer Management Hardware unabhängiger DMA Datentransfer 15

16 Zusammenfassung Betriebssysteme sind sehr komplexe Programme 3 Gängige Strukturierungsmöglichkeiten Layered Exokernel Client Server NT User Mode Komponenten: Env Subsystems sind für Kompatibilität verantwortlich Client Server Modell bei der Kommunikation App < > Subsystem NT Kernel Mode Komponenten: Grob in Schichte eingeteilt: HAL, NT Kernel, NT Executive Vielzahl stark voneinander abhängiger Module in der NT Executive 16

17 Literatur / Quellen Modern Operating Systems Andrew S. Tanenbaum, Prentice Hall, 2001 Sliding through Operating Systems Daniel Menasce, George Mason University, 1997 Exokernel: an operating system architecture for application level resource management Dawson R. Engler, M. Frans Kaashoek et al,