Betriebssystembau (BSB): 01-Einführung · SS 0 Limit Interaktion mit PCI Geräten 0x00000000...

Betriebssystembau (BSB)

Zusammenfassung und Ausblick

http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/WS2015/BSB/

Olaf Spinczyk

olaf.spinczyk@tu-dortmund.dehttp://ess.cs.tu-dortmund.de/~os

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

04. Feb 2016 Betriebssystembau: 14 - Zusammenfassung und Ausblick 2

Agenda● Zusammenfassung

● Prüfung

● Ausblick

● Mitwirkung

● Prüfung

● Ausblick

● Mitwirkung

Was wir gemacht habenVL 1: EinführungVL 2: Einstieg in die BetriebssystementwicklungVL 3: Unterbrechungen - HardwareVL 4: Unterbrechungen - SoftwareVL 5: Unterbrechungen - SynchronisationVL 6: IA-32: Die 32-Bit-Intel-ArchitekturVL 7: Koroutinen und ProgrammfädenVL 8: SchedulingVL 9: Betriebssystem-ArchitekturenVL 10: FadensynchronisationVL 11: InterprozesskommunikationVL 12: BussystemeVL 13: Gerätetreiber

Drei inhaltliche SchwerpunkteVL 1: EinführungVL 2: Einstieg in die BetriebssystementwicklungVL 3: Unterbrechungen - HardwareVL 4: Unterbrechungen - SoftwareVL 5: Unterbrechungen - SynchronisationVL 6: IA-32: Die 32-Bit-Intel-ArchitekturVL 7: Koroutinen und ProgrammfädenVL 8: SchedulingVL 9: Betriebssystem-ArchitekturenVL 10: FadensynchronisationVL 11: InterprozesskommunikationVL 12: BussystemeVL 13: Gerätetreiber

1. Ein Streifzug durch die Architektur des x86 PC

Drei inhaltliche Schwerpunkte

1. Ein Streifzug durch die Architektur des x86 PC

IA-32: Protected Mode – Segmente

Selektor

Segment Register

SSGSFSESDSCS

Basis-Register

Index-Register

x Scale1, 2, 4 oder 8

Displacement(im Befehl)+

FlagsLimit

Startadresse

Tabelle

Segmentdeskriptoren

selektiertesSegment

Operand+

effektiveAdresse

Startadressedes Segments

lineareAdresse

linearerAdressraum

Segment-grenze

Interaktion mit PCI Geräten

0x00000000

0xFFFFFFFF

Speicheradressraum

0x00000000

0xFFFFFFFF(0xFFFF beim PC)

I/O-Adressraum

Geräte-treiber

Konfigurationsadressraum

PCIBIOS

PCIInitiali-sierung

PCI Geräte

2. Kontrollflüsse und ihre Interaktionen

(nicht unterbr.)

Verallgemeinerung für mehrere Unterbrechungsebenen: Kontrollflüsse auf E

l werden

1. jederzeit unterbrochen durch Kontrollflüsse von Em

(für m > l)

2. nie unterbrochen durch Kontrollflüsse von Ek (für k ≤ l)

3. sequentialisiert mit weiteren Kontrollflüssen von El

Kontrollflüsse können die Ebene wechseln- durch spezielle Operationen (hier: Modifizieren des Statusregisters)

(unterbr. von E2)

(unterbr. von E1...2

SR.irql=1 SR.irql=0

kann verzögern (exp

lizit)

Kontrollflussebenenmodell

(nicht unterbr.)

Verallgemeinerung für mehrere Unterbrechungsebenen: Kontrollflüsse auf E

l werden

1. jederzeit unterbrochen durch Kontrollflüsse von Em

(für m > l)

2. nie unterbrochen durch Kontrollflüsse von Ek (für k ≤ l)

3. sequentialisiert mit weiteren Kontrollflüssen von El

Kontrollflüsse können die Ebene wechseln- durch spezielle Operationen (hier: Modifizieren des Statusregisters)

(unterbr. von E2)

(unterbr. von E1...2 )

SR.irql=1 SR.irql=0

kann verzögern (explizit)

Kontrollflussebenenmodell

Erweitertes Kontrollflussebenenmodell Kontrollflüsse auf Ebene E

l sind

1. jederzeit unterbrechbar durch Kontrollflüsse von Em

(für m > l)

2. nie unterbrechbar durch Kontrollflüsse von Ek (für k ≤ l)

3. jederzeit verdrängbar durch Kontrollflüsse von El

(für l = 0)

→ Epilogebene(unterbrechbar, nicht verdrängbar)

→ Unterbrechungsebene(nicht unterbrechbar, nicht verdrängbar)

→ Fadenebene(unterbrechbar, verdrängbar)

Kontrollflüsse der Ebene E0

(Fadenebene) sind verdrängbar.

Für de Konsistenzsicherung auf dieser Ebene brauchen wir zusätzliche Mechanismen zurFadensynchronisation.

Erweitertes Kontrollflussebenenmodell Kontrollflüsse auf Ebene E

l sind

1. jederzeit unterbrechbar durch Kontrollflüsse von Em

(für m > l)

2. nie unterbrechbar durch Kontrollflüsse von Ek (für k ≤ l)

3. jederzeit verdrängbar durch Kontrollflüsse von El

(für l = 0)

→ Epilogebene(unterbrechbar, nicht verdrängbar)

→ Unterbrechungsebene(nicht unterbrechbar, nicht verdrängbar)

→ Fadenebene(unterbrechbar, verdrängbar)

Kontrollflüsse der Ebene E0

(Fadenebene) sind verdrängbar.

Für de Konsistenzsicherung auf dieser Ebene brauchen wir zusätzliche Mechanismen zurFadensynchronisation.

3. BS-Konzepte allgemein und in Windows/Linux

Zusammen eine ganze Menge!

Hardware

Anwendung(en)

Gerätezugriff(Treiber)

Unterbrechungs-behandlung

Interprozess-kommunikation

Kontrollfluss-abstraktion

Unterbrechungs-synchronisation

Prozessverwaltung

Struktur des „OO-StuBS“ Betriebssystems:

BetriebssystembauBetriebssystembau

● Prüfung

● Ausblick

● Mitwirkung

Prüfung● Inhalt

– alle drei Schwerpunktbereiche werden abgedeckt– auch der Inhalt der Übungen ist relevant

● z. B. Schwerpunkte 1 und 2 anhand von OO-StuBS erklären können● C++, x86 Assembler

● Tipps– es geht um das Begreifen

● blindes Auswendiglernen ist nicht gefragt– überlegen Sie, wo die „Knackpunkte“ in OO-StuBS liegen

● Organisatorisches– Die Termine vergibt das LS12 Sekretariat (Frau Graute)

● sekretariat@ls12.cs.tu-dortmund.de, OH16, Raum E22– Ausgefülltes Prüfungsformular nicht vergessen

Leistungsnachweise● Wer keine Prüfung machen will/muss, sondern lediglich einen

unbenoteten Leistungsnachweis benötigt, möge sich bitte melden:

– E-Mail: an sekretariat@ls12.cs.tu-dortmund.de

– Inhalt: Name, Matrikelnummer, ...

– Frist: bis 12.2. melden!

● Die fertigen Nachweise können dann (ca. 1 Woche später) im Sekretariat des Lehrstuhls 12 (OH16, Erdgeschoss) abgeholt werden.

● Prüfung

● Ausblick

● Mitwirkung

Ausblick: Wozu Betriebssystembau?Ausblick: Wozu Betriebssystembau?

... um sowas geht’s uns nicht!

Ausblick: Eingebettete Systeme

● Statistiken aus dem Jahr 2013:

– pro Jahr werden knapp 20 Milliarden Microcontroller verkauft.

– noch heute dominiert 8- und 16-Bit Technik.

Wo geht all das Silizium hin?

49%49%

10%10%5%5%

5%5%3%3%23%23%

2015F MOS Microcomponent Marketshare ($82.9B)

Std PC, Server MPU 32-bit MCU 16-bit MCU4-/8-bit MCU DSP Cellphone App MPUTable MPU

AVR ATmega – Eine typische Hardware-Produktlinie

Bezeichnung Prog. RAM IO Timer 8/16 UART I²C AD Preis

ATTINY11 1024 6 1/- - - - €0.31

ATTINY13 1024 64 6 1/- - - 4*10 €0.66

AT90S2323 2048 128 3 1/- - - - €1.72

ATMEGA8515 8192 512 35 1/1 1 - - €2.04

ATMEGA8535 8192 512 32 2/1 1 1 - €2.67

ATMEGA169 16384 1024 54 2/1 1 1 8*10 €4.03

ATMEGA64 65536 4096 53 2/2 2 1 8*10 €5.60

ATMEGA128 131072 4096 53 2/2 2 1 8*10 €7.91

[Quelle: Digi-Key Produktkatalog, Sommer 2005]

µ-Controllerfamilie, basierend auf 8 Bit RISC-Core– 16 general-purpose Register– Havard-Architektur, getrennter Programm und Datenspeicher– On-Board IO-Pins, Timer, AD-Wandler, Bussysteme, ...

Ein kleiner Ausschnitt aus den angebotenen Varianten:

AVR ATmega – Eine typische Hardware-Produktlinie

Bezeichnung Prog. RAM IO Timer 8/16 UART I²C AD Preis

ATTINY11 1024 6 1/- - - - €0.31

ATTINY13 1024 64 6 1/- - - 4*10 €0.66

AT90S2323 2048 128 3 1/- - - - €1.72

ATMEGA8515 8192 512 35 1/1 1 - - €2.04

ATMEGA8535 8192 512 32 2/1 1 1 - €2.67

ATMEGA169 16384 1024 54 2/1 1 1 8*10 €4.03

ATMEGA64 65536 4096 53 2/2 2 1 8*10 €5.60

ATMEGA128 131072 4096 53 2/2 2 1 8*10 €7.91

[Quelle: Digi-Key Produktkatalog, Sommer 2005]

µ-Controllerfamilie, basierend auf 8 Bit RISC-Core– 16 general-purpose Register– Havard-Architektur, getrennter Programm und Datenspeicher– On-Board IO-Pins, Timer, AD-Wandler, Bussysteme, ...

Ein kleiner Ausschnitt aus den angebotenen Varianten:

Die Systemsoftware muss ähnlich gut skalieren!

Was macht die Hardware teuer?

● SRAM um den Faktor 10 teurer als Flash (ROM)

[€/MiBit]

0,00 €

0,10 €

0,20 €

0,30 €

0,40 €

0,50 €

0,60 €

0,70 €

4 MiBit SRAM(512K x 8)

8 MiBit SRAM(512 K x 16)

16 MiBit SRAM(1 M x 16)

64 MiBit, 3 VNAND (8 M x 8)

128 MiBit, 3 VNAND (16 M x 8)

SRAM Flash

EingebettetesBetriebssystem

“energiesparend”“schnell”

“verlässlich”“deterministisch”

“sicher”“klein“

voll-präemptiv,Speicherschutz,Prioritätsvererbung, ...

ARM, PPC, TriCore, x86, HC12, AVR, ...

funktionale Anforderungennicht-funktionale

Anforderungen

Portabilitätsanforderungen● Anforderungen sind hochgradig anwendungsspezifisch

– Vielzweckbetriebssysteme (wie im PC Bereich) versagen hier

Anforderungen sind vielfältig

. . . , C{51, 166, 251}, CMX RTOS, C-Smart/Raven, eCos, eRTOS, Embos, Ercos, Euros Plus, Hi Ross, Hynet-OS, LynxOS, MicroX/OS-II, Nucleus, OS-9, OSE, OSEK {Flex, Turbo, Plus}, OSEKtime, Precise/MQX, Precise/RTCS, proOSEK, pSOS, PURE, PXROS, QNX, Realos, RTMOSxx, Real Time Architect, RTA, RTX{51, 166, 251}, RTXC, Softune, SSXS RTOS, ThreadX, TinyOS, VRTX, VxWorks, . . .

● „das Rad wird neu erfunden“– auch die selben Fehler werden wiederholt

● oftmals bietet ein BS Hersteller mehrere Systeme an– mit getrennter Code-Basis– getrieben durch die speziellen Anforderungen seiner Kunden

Markt mit > 100 Systemen> 50% EigenentwicklungenMarkt mit > 100 Systemen> 50% Eigenentwicklungen

Eingebettete Betriebssysteme

Konfigurierbare Betriebssysteme● Ansatz: feingranulare, anwendungsspezifische,

statische Konfigurierung

– Ersparnis von Ressourcen

– Abdeckung eines breiteren Anwendungsspektrums (=Marktes!)

– Wiederverwendung und damit höhere Produktivität

Herausforderderungen... beim Bau konfigurierbarer Systemsoftware

● Beherrschung der Variantenvielfalt

– Analyse und Modellierung der Variabilität

● Minimierung der Modulabhängigkeiten, "Plug&Play"

– Systementwurf

● Wahl geeigneter Sprachmittel für die Programmierung

– Generizität und Wiederverwendbarkeit vs. Effizienz

● Werkzeugunterstützung

– Technik zur Konfigurierung

● ...

Merkmalmodelle

scheduling

Operating System

energy management

dynamic CPU freq. scaling

cooperat. FIFO

round robin

multi-levelfeedback queues

Merkmaldiagramm einer BS-Produktlinie

Systembausteine

scheduling

Operating System

energy management

cooperate FIFO

round robin

priority based full preemptive

Merkmaldiagramm

ClassClassClass

System-bausteine

«implements »

Idealfall: ein Merkmal wird durch eine Klasse implementiert

Problem: Querschneidende Belange ... behindern Konfigurierung und Wiederverwendung

Multi-User Support

Synchronisation

Entwicklungsunterst.

Beispiel aus OO-Stubs: Kernel-Sperre● Pro/Epilogmodell fordert:

– guard sperren, bevor der Kern betreten wird– guard freigeben, nachdem der Kern verlassen wird

● Ansatz: Eigene Systemschnittstelle durch Ableitung

● Das ist gar nicht so doll! (Warum?)Kernel-Sperre

● ...erlaubt die modulare Implementierung querschneidender Belange

● Beispiele: Kontrollflussverfolgung, Synchronisation, Sicherheit, Pufferung, Fehlerbehandlung,Überprüfung von Kontrakten, ...

gut modularisierter Belang

ohne AOP mit AOP

Aspekt

Aspect-Oriented Programming

schlecht modularisiert

AspectC++

ElementCounter1.ah

aspect nameaspect name pointcut expression („Wo“)pointcut expression („Wo“) advice type („Wann“)advice type („Wann“)

aspect ElementCounter {

advice execution("% util::Queue::enqueue(...)") : after() { printf( " Aspect ElementCounter: after Queue::enqueue!\n" ); }

advice body („Was“)advice body („Was“)

OO-Stubs Kernel-Sperre mit AOP

#include "guard/guard.h"extern Guard guard;

aspect KernelLock { pointcut user() = "Application" || "Board" ...; pointcut kernel() = "Buzzer" || "Keyboard" ...;

pointcut kernel_enter() = call(kernel()) && within(user());

advice kernel_enter() : before() { guard.enter(); } advice kernel_enter() : after() { guard.leave(); }};

Aspekte als Systembausteine

scheduling

Operating System

energy management

cooperate FIFO

round robin

priority based full preemptive

Merkmaldiagramm

Aspect

ClassClass

AspectAspectAspect

System-bausteine

«implements »

● Querschneidende Belange werden durch Aspekte implementiert

Merkmale mit querschneidender Implementierung können nun direkt auf ein Modul abgebildet werdenMerkmale mit querschneidender Implementierung können nun direkt auf ein Modul abgebildet werden

● Prüfung

● Ausblick

● Mitwirkung

VL: Software ubiquitärer Systeme● Lehrveranstaltung im SS 2016 (4V+2Ü)

– Master-Basis oder Diplom-Wahl

– Betriebssysteme, Middleware und Datenhaltung– Spezielle Randbedingungen, Entwurfsmethodik und Sprachen– Praktische Übungen

„ubiquitous computing“

Wir suchen: Studentische Hilfskräfte● Übungsleiter in „Betriebssysteme“

– Halten von „Tafelübungen“– Erstellen und Korrigieren von Programmieraufgaben

● C und UNIX-Systemschnittstelle● Pool-Betreuung

– Studierenden „über die Schulter schauen“ und helfen● Programmierung

– Verbesserung von Software, die in der Lehre eingesetzt wird● Forschungsprojekte

– Je nach Bedarf Programmierung, Recherche, Messung, usw.

Wir suchen: (Diplom|Master)and(en|innen)

Allgemeines– Empirisches Arbeiten Bauen, Messen, Bewerten→– Anwendungsorientierung ist unser Querschnittsthema

● in verschiedenen Bereichen der eingebetteten Systemsoftware

Themen

So, das war's

Arbeitsgruppe Eingebettete SystemsoftwareLehrstuhl 12

Vielen Dank!Ich hoffe, wir sehen uns wieder.

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