andere aufrufen und Datenstrukturen Die Folgen von Änderungen und Erweiterungen sind schwer

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "andere aufrufen und Datenstrukturen Die Folgen von Änderungen und Erweiterungen sind schwer"

Gerhard Waldemar Goldschmidt
vor 6 Jahren
Abrufe

1 3. Betriebssystemorganisation 3.1 Monolithische Betriebssysteme Sammlung von Routinen, ohne Hierarchie, Kapselung und Schichtung. Jede Prozedur kann beliebige Anwendungen andere aufrufen und Datenstrukturen ändern. Die Folgen von Änderungen und Erweiterungen sind schwer Dispatcher abzuschätzen. Zum Beispiel: - klassische Unix-Systeme, - OS - Routinen Batch-Betriebssysteme, - IBM OS/ Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

2 3.2 Geschichtete Architekturen Verschiedene Abstraktionsebenen respektive Schnittstellen: - Programmierschnittstelle für die Anwendungsprogramme, - "Service-Provision", - Treiberschnittstelle, - schnittstellen. Anwendungen Dispatcher OS - Routinen Treiber 35 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

3 3.2.1 Hierarchisches Modell: Betriebssystem ist aus einer Hierarchie von Schichten aufgebaut. Höhere Schicht n nimmt Dienste der Schicht n-1 in Anspruch. Strenge Hierarchie erlaubt Zugriffe nur auf die nächste benachbarte 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 36 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

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. - x86 CPUs: 4 Ringe. Befehle System-Call Steuerung Benutzer Programme Kern HW Unix-Signale Interrupts Ergebnisse 37 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

5 Traditioneller Unix-Kern: - Trennung User-/Kernel Space, - monolithischer Aufbau, - Linux bietet zusätzlich dyn. ladbare Module, - abstraktion. Benutzerprogramme Bibliotheken user-mode kernel-mode Systemschnittstelle Dateisystem Puffer-Cache Prozesskontrollsubsystem IPC Scheduler MemMgmt. Zeichen Block Gerätetreiber steuerung 38 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

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: Programme - Schichten können übersprungen worden, - aber Verlust der Kontrollmöglichkeit. Beispiel: MS-DOS => COMMAND MSDOS.SYS IO.SYS ROM-BIOS 39 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

7 3.2.4 Beispiel Oberon: Schlanker Systementwurf, Sprachbasiertes Betriebssystem, Typensicherheit im Gesamtsystem, Wirth & Gutknecht (1992), ETH Zürich. 40 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

8 3.3 Mikrokern Systeme Zuverlässiger (kleiner) Mikrokern, etwa für: - Nachrichtenvermittlung & Prozessumschaltung, - Speicherverwaltung & Sicherheit... Treiber: - weniger privilegiert als Kern. Dienste im Adressraum der Anwendung: - Bedieneroberfläche, - Dateiverwaltungen, - Kommunikation, - Beispiel: Mach, L4. Es herrscht Uneinigkeit darüber, was in einen Mikrokern gehört. Mehr Stabilität, aber erheblich mehr Aufwand durch häufige Interprozesskommunikation. Anwendungen OS-Dienste Mikrokern Treiber 41 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

9 Beispiel Plurix: Verteiltes Betriebssystem mit kleinem Kern. - kein klassischer Mikrokern-Ansatz, - Schutz durch typsichere Sprache (Java) an Stelle von Prozessadressräumen. 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 42 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

10 3.4 Virtuelle Maschinen Mehrere OS können auf einer Maschine betrieben werden. Virtuelle Maschinen sind Kopien der zugrunde liegenden : - Unterbrechungen, E/A, - Kern- & Benutzermodus,... - Nachteil: großer Effizienzverlust. Monitor (Wirtsbetriebssystem): - simuliert, - fängt Systemaufrufe ab, - übernimmt Ausführen auf realer HW. Beispiele - BS IBM VM/370 (1972). - PC Simulatoren: VMWare und Bochs. - Virtualization Technology für Itanium-2 (ab 2005). virtuelle Maschinen AW AW AW AW BS BS BS BS Monitor - Virtueller 8086 Modus für Pentium-CPUs für 16-Bit MS-DOS Programme. - JVM (Java Virtual Machine) interpretiert plattformunabhängigen Bytecode. 43 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

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,... Aufruf von Diensten ist teuer. Anw. Executive Kern Treiber Services HAL 44 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

12 3.5.1 Fallbeispiel: Windows NT "Executive" in Windows NT OS-Funktionen im sicheren Teil des Systems (Kern). Security Monitor kooperiert mit Security-Subsystem. VM für Adressräume und Paging. Object Manager verwaltet Betriebssystem-Ressourcen. Security Monitor Objekt Manager Process Manager Kern Prozess Manager für Prozesse & Threads. "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. LPC Virtual memory Abstraktion Kernel Mode E/A - Dateien - Cache - Drivers - Network 45 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

13 3.5.2 Subsysteme in Windows NT Kommunikation mit Sub- systemen 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 Win32-Subsystem- Prozess CSRSS.exe. User Mode Win32 Win32 Win32 Subsystem Posix Posix Subsystem LPCs OS/2 OS/2 Subsystem MS-DOS Win32 WoW Kernel Mode Virtuelle DOS Masch. User Mode 46 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

14 3.5.3 Virtuelle DOS Maschinen 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 47 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

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.., Bit Stack nach 32-Bit Stack, - - und umgekehrt, - - etc.... Teile der 32-Bit Funktionen sind noch nicht implementiert und rufen wiederum 16-Bit Prozeduren (nur für VDMs). 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 48 Betriebssysteme, Sommer 2005 Verteilet Systeme, Universität Ulm, M. Schöttner

Ähnliche Dokumente

3. Betriebssystemorganisation

3. Betriebssystemorganisation 3.1 Monolithische Betriebssysteme Sammlung von Routinen, ohne Hierarchie, Kapselung und Schichtung. Jede Prozedur kann beliebige andere aufrufen und Datenstrukturen ändern.