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1Fachbereich, Titel, DatumOperating System

Kernels

von Patrick Bitterling

2Fachbereich, Titel, DatumThemenübersicht

-Eine Einleitung über Kernel -Kernel Subsysteme -Prozess-Scheduling,

Speichermanagement, ...

-Der "Networking Stack" -Alternativen zum Kernel -Das kernellose Betriebssystem KLOS -Kernel auch

Betriebssystemkern

-"Kern der meisten

Betriebssystem"

-Regelt wichtige Bereiche wie z.B. Speicher- und

Prozessverwaltung,

Aufrufe, Dateisystem

-Dient als Schnittstelle zwischen Hard- und

Software

4Fachbereich, Titel, DatumMikrokernel

-Erste Kernel-Architektur -Kernel mit wenigen

Funktionen

-Erstellt Server um Software mehr Privilegien zu -Bei Serverabsturz bleibt das System stabil -Negativ für

Geschwindigkeit

5Fachbereich, Titel, DatumMonolithischer Kernel

-Beinhaltet mehr

Funktionen

komplett im Speicher -Reduziert

Kontextwechsel

-Gut für Geschwindigkeit

Auswirkung (bis

Systemabsturz)

6Fachbereich, Titel, DatumHybridkernel

-Einiges im Kernelmodus, einiges im

Benutzermodus

-Kompromiss zwischen

Mikrokernel und

monolithischen Kernel

Kontextwechsel

-Bei Serverabsturz kein

Systemabsturz

7Fachbereich, Titel, DatumThemenübersicht

-Eine Einleitung über Kernel -Kernel Subsysteme -Prozess-Scheduling,

Speichermanagement, ...

-Der "Networking Stack" -Alternativen zum Kernel -Das kernellose Betriebssystem KLOS

8Fachbereich, Titel, DatumÜbersicht Kernel Subsysteme

-Prozessmanagement/-scheduling -System Aufrufe -Interrupts -Kernelsynchronisation -Speichermanagement

9Fachbereich, Titel, DatumMultitasking

-Ein Prozess pro Prozessor(-kern) -Simulation von vielen parallel laufenden

Prozessen

-Heutzutage über preemptives Multitasking -Prozess kann jederzeit unterbrochen werden -Status des Prozesses wird gespeichert

10Fachbereich, Titel, DatumProzessmanagement / -schedulingLinuxFreeBSDWindows Vista

Prozess-NomenklaturTaskTask

JaJaJa

CFS4BSD (neu ULE)WTS

NeinJaJa

Eltern-Kind Beziehung JaJaNein

Container

(hat mind. 1 Thread)

Prozess - beinhaltet

Informationen

Scheduling

Benutzt Timeslices

11Fachbereich, Titel, DatumSchedule mit Timeslice

Prozessorzeit

-Darf Timeslice früher verbrauchen verbrauchen

12Fachbereich, Titel, DatumCompletely Fair Scheduler (CFS)

-Alle Prozesse gleich behandelt -Wartende Prozesse bekommen Gutschrift (wait_runtime) -Laufende Prozesse reduzieren ihr Gutschrift -Sind in einem Rot-Schwarz-Baum sortiert (ist ganz links im Baum)

13Fachbereich, Titel, DatumÜbersicht Kernel Subsysteme

-Prozessmanagement/-scheduling -System Aufrufe -Interrupts -Kernelsynchronisation -Speichermanagement

14Fachbereich, Titel, DatumSystemaufrufe

-Ring-Schutzmechanismus -Anwendungen sollen nicht direkt auf Hardware -Prozesse abschotten -Kommunikation zwischen den Ringen über Tore -Privilegierter Modus (Kernel-Modus) -Unprivilegierte Modi (Benutzer-Modi)

15Fachbereich, Titel, DatumSystemaufrufe (2)

-Anwendung braucht Privilegien aus

Kernelmodus

-Programmierschnittstelle (API) stellt Funktionen zur Verfügung -API schreibt Nummer ins EAX-Register

Interrupt aus (Sprung in Kernelmodus)

-EAX-Register wird ausgelesen -Entsprechende Aktion ausgeführt -Springe wieder zurück

16Fachbereich, Titel, DatumÜbersicht Kernel Subsysteme

-Prozessmanagement/-scheduling -System Aufrufe -Interrupts -Kernelsynchronisation -Speichermanagement

17Fachbereich, Titel, DatumInterrupts

-Kurzfristige Unterbrechung eines Programms -Zeitkritische Arbeit ausführen -Hardwareinterrupt asynchron -Softwareinterrupt (Exception) synchron -Wiederaufnahme vom vorherigen Programm

18Fachbereich, Titel, DatumInterrupts (2)

ISR (Linux und Vista)

- Interrupt in 2 Teile nimmt Interrupt entgegen - Leitet Informationen zur

Hardware Interrupt

restliche Abarbeitung des

Interrupt aus.

19Fachbereich, Titel, DatumInterrupts (2)

ISR (Linux und Vista)

- Interrupt in 2 Teile nimmt Interrupt entgegen - Leitet Informationen zur

Hardware Interrupt

restliche Abarbeitung des

Interrupt aus.Interrupt Threads

(FreeBSD) - Sind Threads mit hoher

Threads unterbrochen

(preemptiv) werden - Sperren von Ressourcen im Kernel einfacher als bei ISR

20Fachbereich, Titel, DatumÜbersicht Kernel Subsysteme

-Prozessmanagement/-scheduling -System Aufrufe -Interrupts -Kernelsynchronisation -Speichermanagement

21Fachbereich, Titel, DatumKernelsynchronisation

-Prozesse wollen dieselben Ressourcen beanspruchen -Kann zu schweren Fehlern führen (Race Condition)ZeitpunktTransaktion 1Gespeicherter WertTransaktion 2

1Lese Wert WW=1-------

2Vermindere WertW=1Lese Wert W

4--------W=2Speichere Wert

22Fachbereich, Titel, DatumKernelsynchronisation (2)

-Ressource muss geschützt werden -Erster Prozess sperrt Ressource (Spinlock oder Semaphor)ZeitpunktTransaktion 1Gespeicherter WertTransaktion 2

1Erlange LockW=1-------

2Lese Wert WW=1Versuch Lock

3Vermindere WertW=1Versuch Lock

4Speichere WertW=0Versuch Lock

5Gib Lock freiW=0Erlange Lock

6--------W=0Lese Wert W

8--------W=1Speichere Wert

23Fachbereich, Titel, DatumKernelsynchronisation (3)

-Semaphor schickt andere Prozesse schlafen -Problem bei preemptiven Kernels

Transaktionen

-Vista: Synchronisationsobjekt anstatt Spinlocks -Objekte sagt wenn Ressource wieder verfügbar ist

24Fachbereich, Titel, DatumÜbersicht Kernel Subsysteme

-Prozessmanagement/-scheduling -System Aufrufe -Interrupts -Kernelsynchronisation -Speichermanagement

25Fachbereich, Titel, DatumSpeichermanagement

-Speichereinteilung in kleine Stückchen (Pages)

RAM und virtuellen Speicher (Festplatte)

-Speichereinteilung zwischen Benutzer- und

Kernelmodus

-Statisch (FreeBSD,Linux) oder dynamisch (Vista) -Speicher voll -> swap lange nicht benutzte Pages

26Fachbereich, Titel, DatumThemenübersicht

-Eine Einleitung über Kernel -Kernel Subsysteme -Prozess-Scheduling, Speichermanagement, ... -Der "Networking Stack" -Alternativen zum Kernel -Das kernellose Betriebssystem KLOS

27Fachbereich, Titel, DatumNetworking Stack

-Softwareimplementierung einer Sammlung von

Protokollen

-Protokolle kommunizieren mit anderen

Protokollen -> Schichtanordnung

-Modell für diese Schichten (TCP/IP und OSI) -Unterste Ebene physikalische Übertragung -Oberste Ebene bestimmt wie Programme diese

Protokolle verwenden sollen

28Fachbereich, Titel, DatumThemenübersicht

-Eine Einleitung über Kernel -Kernel Subsysteme -Prozess-Scheduling, Speichermanagement, ... -Der "Networking Stack" -Alternativen zum Kernel<= -Das kernellose Betriebssystem KLOS

29Fachbereich, Titel, DatumAlternative zu einen kernelbasierenden OS

-Programmiere OS direkt für eine Hardwarekonfiguration -Früher auf einen Computer angepasst z.B. Routern -Entwurf eines OS mit wenigen Kontextwechsel (verbrauchen

Rechenzeit)

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