[PPT] - Chapter 2: Operating-System Structures Wh a t a r e t h e PowerPoint Presentation

SLIDE 1

1

Chapter 2: Operating-System Structures

Wh

a t a r e t h e s e r v i c e s p r

v

i d e d b y a n O S ?

Wh

a t a r e s y s t e m c a l l s ?

Wh

a t a r e s

m

e c

m

m

n

c a t e g

r

i e s

f

s y s t e m c a l l s ?

Wh

a t a r e t h e p r i n c i p l e s b e h i n d O S d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i

n

?

Wh

a t a r e c

m

m

n

w a y s

f

s t r u c t u r i n g a n O S ?

H
w

a r e V M s a n d O S r e l a t e d ?

H
w

i s a n O S i n s t a l l e d ?

H
w

d

e

s a n O S b

t

?

SLIDE 2

2

Operating System Services

O

p e r a t i n g

s

y s t e m s e r v i c e s t h a t a r e h e l p f u l t

t

h e u s e r

u

s e r i n t e r f a c e – a l m

s

t a l l

p

e r a t i n g s y s t e m s h a v e a u s e r i n t e r f a c e ( U I )

C
m

m a n d

L

i n e ( C L I )

G

r a p h i c s U s e r I n t e r f a c e ( G U I )

T
u

c h

S

c r e e n I n t e r f a c e

p

r

g

r a m e x e c u t i

n

– l

a

d i n m e m

r

y a n d r u n a p r

g

r a m

e

n d e x e c u t i

n

, e i t h e r n

r

m a l l y

r

a b n

r

m a l l y ( i n d i c a t i n g e r r

r

)

I

/ O

p

e r a t i

n

s – a l l

w

i n t e r a c t i

n

w i t h I / O d e v i c e s

p

r

v

i d e e ffj c i e n c y a n d p r

t

e c t i

n
fj

l e

s

y s t e m m a n i p u l a t i

n

– p r

v

i d e u n i f

r

m a c c e s s t

m

a s s s t

r

a g e

c

r e a t e , d e l e t e , r e a d , w r i t e fj l e s a n d d i r e c t

r

i e s

s

e a r c h , l i s t fj l e I n f

r

m a t i

n
p

e r m i s s i

n

m a n a g e m e n t .

SLIDE 3

3

Operating System Services (2)

O

p e r a t i n g

s

y s t e m s e r v i c e s t h a t a r e h e l p f u l t

t

h e u s e r ( c

n

t . . . )

i

n t e r

p

r

c

e s s c

m

m u n i c a t i

n

– e x c h a n g e i n f

r

m a t i

n

a m

n

g p r

c

e s s e s

s

h a r e d m e m

r

y , P O S I X s h m _

p

e n ( )

m

e s s a g e p a s s i n g , m i c r

k

e r n e l O S , R P C , C O R B A , e t c .

e

r r

r

d e t e c t i

n

– a w a r e n e s s

f

p

s

s i b l e e r r

r

s

C

P U a n d m e m

r

y h a r d w a r e ( p w e r f a i l u r e , m e m

r

y f a u l t )

I

/ O d e v i c e e r r

r

s ( p r i n t e r

u

t

f
p

a p e r , n e t w

r

k c

n

n e c t i

n

f a i l u r e )

u

s e r p r

g

r a m ( s e g m e n t a t i

n

f a u l t , d i v i d e

b

y

z

e r

)

SLIDE 4

4

Operating System Services (3)

O

p e r a t i n g s y s t e m s e r v i c e s f

r

e ffj c i e n t s y s t e m

p

e r a t i

n
r

e s

u

r c e a l l

c

a t i

n

– p r

v

i d i n g a c c e s s t

s

h a r e d r e s

u

r c e s i n m u l t i u s e r s y s t e m

C

P U c y c l e s , m a i n m e m

r

y , fj l e s t

r

a g e , I / O d e v i c e s

A

c c

u

n t i n g – k e e p t r a c k

f

s y s t e m r e s

u

r c e u s a g e

f
r

c

s

t a c c

u

n t i n g

a

c c u m u l a t i n g u s a g e s t a t i s t i c s ( f

r

p r

fj

l i n g , e t c . )

P

r

t

e c t i

n

a n d s e c u r i t y – r e s t r i c t a c c e s s t

c
m

p u t e r r e s

u

r c e s

e

n s u r e t h a t a l l a c c e s s t

s

y s t e m r e s

u

r c e s i s c

n

t r

l

l e d ( p r

t

e c t i

n

)

p

r

t

e c t s y s t e m f r

m
u

t s i d e r s ( s e c u r i t y )

u

s e r a u t h e n t i c a t i

n

, fj l e a c c e s s c

n

t r

l

, a d d r e s s s p a c e r e s t r i c t i

n

s , e t c .

SLIDE 5

5

A View of Operating System Services

SLIDE 6

6

System Calls

P

r

g

r a m m i n g i n t e r f a c e t

t

h e s e r v i c e s p r

v

i d e d b y t h e O S

r

e q u e s t p r i v i l e g e d s e r v i c e f r

m

t h e k e r n e l

t

y p i c a l l y w r i t t e n i n a h i g h

l

e v e l s y s t e m l a n g u a g e ( C

r

C + + )

M
s

t l y a c c e s s e d b y p r

g

r a m s v i a a h i g h

l

e v e l A p p l i c a t i

n

P r

g

r a m I n t e r f a c e ( A P I ) r a t h e r t h a n d i r e c t s y s t e m c a l l u s e

p

r

v

i d e s a s i m p l e r i n t e r f a c e t

t

h e u s e r t h a n t h e s y s t e m c a l l i n t e r f a c e

r

e d u c e s c

u

p l i n g b e t w e e n k e r n e l a n d a p p l i c a t i

n

, i n c r e a s e s p

r

t a b i l i t y

C
m

m

n

A P I s

Wi

n 3 2 A P I f

r

Wi n d

w

s

P

O S I X A P I f

r

P O S I X

b

a s e d s y s t e m s ( i n c l u d i n g v i r t u a l l y a l l v e r s i

n

s

f

U N I X , L i n u x , a n d M a c O S X )

I

m p l e m e n t a t i

n
s
f

t w a r e t r a p , r e g i s t e r c

n

t a i n s s y s t e m c a l l n u m b e r

s

y s c a l l i n s t r u c t i

n

f

r

f a s t c

n

t r

l

t r a n s f e r t

t

h e k e r n e l

SLIDE 7

7

Example of System Calls

S

y s t e m c a l l s e q u e n c e t

c
p

y t h e c

n

t e n t s

f
n

e fj l e t

a

n

t

h e r fj l e

SLIDE 8

8

API – System Call – OS Relationship

SLIDE 9

9

Standard C Library Example

C

p r

g

r a m i n v

k

i n g p r i n t f ( ) l i b r a r y c a l l , w h i c h c a l l s w r i t e ( ) s y s t e m c a l l

SLIDE 10

10

System Call Parameter Passing

P

a s s a d d i t i

n

a l i n f

r

m a t i

n

t

t

h e s y s t e m c a l l .

T

h r e e g e n e r a l m e t h

d

s u s e d t

p

a s s p a r a m e t e r s t

t

h e O S

p

a s s t h e p a r a m e t e r s i n r e g i s t e r s

s

i m p l e s t , f a s t e s t

w

h a t i f m

r

e p a r a m e t e r s t h a n r e g i s t e r s ?

s

t

r

e a r g u m e n t s i n a b l

c

k

n

s t a c k

p

a s s s t a c k l

c

a t i

n

i n a r e g i s t e r

p

a r a m e t e r s p u s h e d

n

t h e s t a c k b y t h e p r

g

r a m a n d p

p

p e d

fg

t h e s t a c k b y t h e

p

e r a t i n g s y s t e m

P

u r e r e g i s t e r m e t h

d

i s h a r d l y e v e r u s e d

b

l

c

k a n d s t a c k m e t h

d

s d

n
t

l i m i t t h e n u m b e r

r

l e n g t h

f

p a r a m e t e r s b e i n g p a s s e d

SLIDE 11

11

Types of System Calls

P

r

c

e s s c

n

t r

l
c

r e a t e p r

c

e s s , t e r m i n a t e p r

c

e s s , g e t / s e t p r

c

e s s a t t r i b u t e s , w a i t e v e n t , s i g n a l e v e n t , a l l

c

a t e a n d f r e e m e m

r

y

F

i l e m a n a g e m e n t

c

r e a t e , d e l e t e ,

p

e n , c l

s

e , r e a d , w r i t e a fj l e , g e t / s e t fj l e a t t r i b u t e s

D

e v i c e m a n a g e m e n t

r

e q u e s t , r e l e a s e , r e a d , w r i t e , r e p

s

i t i

n

d e v i c e , g e t / s e t d e v i c e a t t r i b u t e s

I

n f

r

m a t i

n

m a i n t e n a n c e

g

e t / s e t t i m e / d a t e , g e t / s e t p r

c

e s s / fj l e / d e v i c e a t t r i b u t e s

C
m

m u n i c a t i

n

s

c

r e a t e / d e l e t e c

n

n e c t i

n

, s e n d / r e c e i v e m e s s a g e s

P

r

t

e c t i

n
s

e t / g e t fj l e / d e v i c e p e r m i s s i

n

s , a l l

w

/ d e n y s y s t e m r e s

u

r c e s

SLIDE 12

12

Examples of System Calls

SLIDE 13

13

System Programs

U

s e r

l

e v e l u t i l i t y p r

g

r a m s s h i p p e d w i t h t h e O S

e

a s e t h e j

b
f

p r

g

r a m d e v e l

p

m e n t a n d e x e c u t i

n
n
t

p a r t

f

t h e O S k e r n e l

S

y s t e m p r

g

r a m s c a n b e d i v i d e d i n t

:
fj

l e m a n i p u l a t i

n
s

t a t u s i n f

r

m a t i

n
fj

l e m

d

i fj c a t i

n
p

r

g

r a m m i n g l a n g u a g e s u p p

r

t

p

r

g

r a m l

a

d i n g a n d e x e c u t i

n
c
m

m u n i c a t i

n

s

a

p p l i c a t i

n

p r

g

r a m s

SLIDE 14

14

System Programs (2)

F

i l e m a n a g e m e n t

m

k d i r , c p , r m , l p r , l s , l n , e t c .

S

t a t u s i n f

r

m a t i

n
d

a t e , t i m e , d s , d f , t

p

, p s , e t c .

F

i l e m

d

i fj c a t i

n
e

d i t

r

s s u c h a s v i a n d e m a c s , fj n d , g r e p , e t c .

P

r

g

r a m m i n g l a n g u a g e s u p p

r

t

c
m

p i l e r s , a s s e m b l e r s , d e b u g g e r s , s u c h a s g c c , m a s m , g d b , p e r l , j a v a , e t c .

P

r

g

r a m l

a

d i n g a n d e x e c u t i

n
l

d

C
m

m u n i c a t i

n

s

s

s h , m a i l , w r i t e , f t p

SLIDE 15

15

Role of Linker and Loader

Compiler

source program assembly program

bject code

Executable fjle program in memory library, relocatable

bject fjles

Assembler Linker Loader

ther object

fjles

SLIDE 16

16

OS Design and Implementation

D

e s i g n

t

y p e

f

s y s t e m – b a t c h , t i m e

s

h a r e d , s i n g l e / m u l t i u s e r , d i s t r i b u t e d , r e a l

t

i m e , e m b e d d e d

u

s e r g

a

l s – c

n

v e n i e n c e , e a s e

f

u s e a n d l e a r n , r e l i a b l e , s a f e , f a s t

s

y s t e m g

a

l s – e a s e

f

d e s i g n , i m p l e m e n t a t i

n

, a n d m a i n t a i n e n c e , a s w e l l a s fm e x i b l e , r e l i a b l e , e r r

r
f

r e e , a n d e ffj c i e n t

M

e c h a n i s m

p
l

i c y – w h a t w i l l b e d

n

e ?

me

c h a n i s m – h

w

t

d
i

t ?

I

m p l e m e n t a t i

n
h

i g h e r

l

e v e l l a n g u a g e – e a s i e r , f a s t e r t

w

r i t e , c

m

p a c t , m a i n t a i n a b l e , e a s y t

d

e b u g , p

r

t a b l e

a

s s e m b l y l a n g u a g e – m

r

e e ffj c i e n t

SLIDE 17

17

Operating System Structure

E

n g i n e e r i n g a n

p

e r a t i n g s y s t e m

m
d

u l a r i z e d , m a i n t a i n a b l e , e x t e n s i b l e , e t c .

S

i m p l e S t r u c t u r e

C

h a r a c t e r i s t i c s

m
n
l

i t h i c

p
r

s e p a r a t i

n

b e t w e e n i n t e r f a c e s a n d l e v e l s

f

f u n c t i

n

a l i t y

i

l l

s

u i t e d d e s i g n , d i ffj c u l t t

m

a i n t a i n a n d e x t e n d

R

e a s

n

s

g

r

w

t h b e y

n

d

r

i g i n a l s c

p

e a n d v i s i

n
l

a c k

f

n e c e s s a r y h a r d w a r e f e a t u r e s d u r i n g i n i t i a l d e s i g n

g

u i d e d m

r

e b y i n i t i a l h a r d w a r e c

n

s t r a i n t s t h a n b y s

u

n d s

f

t w a r e e n g i n e e r i n g p r i n c i p l e s

e

g . , M S

D

O S , U N I X

SLIDE 18

18

OS Structure - Monolithic

M

S

D

O S l a y e r s t r u c t u r e :

SLIDE 19

19

OS Structure - Monolithic

T

r a d i t i

n

a l U N I X s y s t e m s t r u c t u r e

SLIDE 20

20

OS Structure - Layered

L

a y e r e d a p p r

a

c h

O

S d i v i s i

n

i n t

a

n u m b e r

f

l a y e r s ( l e v e l s )

u

p p e r l a y e r s u s e f u n c t i

n

s a n d s e r v i c e s p r

v

i d e d b y l

w

e r

l

e v e l l a y e r s

B

e n e fj t s

m
r

e m

d

u l a r , e x t e n s i b l e , a n d m a i n t a i n a b l e d e s i g n

a

c h i e v e s i n f

r

m a t i

n

h i d i n g

s

i m p l e c

n

s t r u c t i

n

, d e b u g g i n g , a n d v e r i fj c a t i

n
D

r a w b a c k s

i

n t e r d e p e n d e n c i e s m a k e i t d i ffj c u l t t

c

l e a n l y s e p a r a t e f u n c t i

n

a l i t y a m

n

g l a y e r s

e

g . , b a c k i n g

s

t

r

e d r i v e r s a n d C P U s c h e d u l e r

l

e s s e ffj c i e n t t h a n m

n
l

i t h i c d e s i g n s

SLIDE 21

21

OS Structure - Layered

L

a y e r e d O p e r a t i n g S y s t e m

SLIDE 22

22

OS Structure - Microkernels

M

i c r

k

e r n e l S y s t e m S t r u c t u r e

m
v

e s a s m u c h f u n c t i

n

a l i t y f r

m

t h e k e r n e l i n t

“

u s e r ” s p a c e

c
m

m u n i c a t e b e t w e e n u s e r m

d

u l e s u s i n g m e s s a g e p a s s i n g

B

e n e fj t s

e

a s i e r t

e

x t e n d ( u s e r l e v e l d r i v e r s )

e

a s i e r t

p
r

t t

n

e w a r c h i t e c t u r e s

m
r

e r e l i a b l e ( l e s s c

d

e i s r u n n i n g i n k e r n e l m

d

e )

m
r

e s e c u r e

D

r a w b a c k s

n
c
n

s e n s u s r e g a r d i n g s e r v i c e s t h a t s h

u

l d r e m a i n i n t h e k e r n e l

p

e r f

r

m a n c e

v

e r h e a d

f

u s e r s p a c e t

k

e r n e l s p a c e c

m

m u n i c a t i

n

SLIDE 23

23

Operating System Structure (7)

M

i c r

k

e r n e l s y s t e m s t r u c t u r e

Application Program File System Device Driver Interprocess Communication memory managment CPU scheduling

messages messages

microkernel hardware user mode kernel mode

SLIDE 24

24

OS Structure - Modules

M
d

u l e s

u

s e s

b

j e c t

r

i e n t e d a p p r

a

c h

k

e r n e l p r

v

i d e s c

r

e f u n c t i

n

a l i t y , l i k e c

m

m u n i c a t i

n

s , d e v i c e d r i v e r s

a

d d i t i

n

a l s e r v i c e s a r e m

d

u l e s l i n k e d d y n a m i c a l l y

s

e r v i c e s t a l k d i r e c t l y

v

e r i n t e r f a c e s b y p a s s i n g t h e k e r n e l

B

e n e fj t s

a

d v a n t a g e s

f

l a y e r e d s t r u c t u r e b u t w i t h m

r

e fm e x i b l e

a

d v a n t a g e s

f

m i c r

k

e r n e l a p p r

a

c h , w i t h

u

t m e s s a g e p a s s i n g

v

e r h e a d

D

r a w b a c k s

n
t

a s c l e a n a d e s i g n a s t h e l a y e r e d a p p r

a

c h

n
t

a s s m a l l a k e r n e l a s a m i c r

k

e r n e l

b

u t , a c h i e v e s b e s t

f

b

t

h w

r

l d s a s f a r a s p

s

s i b l e

SLIDE 25

25

OS Structure - Modules

S
l

a r i s m

d

u l a r a p p r

a

c h

SLIDE 26

26

OS Structure – Hybrid Systems

H

y b r i d

p

e r a t i n g s y s t e m s

c
m

b i n e m u l t i p l e a p p r

a

c h e s t

a

d d r e s s p e r f

r

m a n c e , s e c u r i t y , u s a b i l i t y

L

i n u x

M
n
l

i t h i c , s i n c e O S i s i n a s i n g l e a d d r e s s s p a c e

M
d

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SLIDE 27

27

OS Structure – Hybrid Systems

E

x a m p l e – A p p l e M a c O S X

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M

a c h m i c r

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e r n e l a n d B S D U n i x , p l u s I / O k i t , a n d d y n a m i c a l l y l

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graphical user interface Aqua application environments and services kernel environment Java Cocoa Quicktime BSD Mach I/O kit kernel extensions BSD

SLIDE 28

28

Virtual Machines

G

e n e r a l l y , e x p

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SLIDE 29

29

Virtual Machines (2)

( a ) N

n

v i r t u a l m a c h i n e ( b ) v i r t u a l m a c h i n e

N

n
v

i r t u a l M a c h i n e V i r t u a l M a c h i n e

SLIDE 30

30

Virtual Machines History and Benefits

H

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t h e i r I B M 3 6 / 3 7 l i n e

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SLIDE 31

31

VMware Architecture

SLIDE 32

32