Die L4- -Mikrokern Mikrokern- -Familie Familie Die L4 - PowerPoint PPT Presentation

Die L4- -Mikrokern Mikrokern- -Familie Familie Die L4 Hauptseminar Ansätze für Betriebssysteme der Zukunft Hauptseminar Ansätze für Betriebssysteme der Zukunft Michael Steil Michael Steil 18.04.2002 18.04.2002 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 1 Folie 1 Michael Steil Michael Steil

Aufbau des Vortrags Aufbau des Vortrags 1. Mikrokerne: Idee und Geschichte Mikrokerne: Idee und Geschichte 1. 2. L4: ein schneller Mikrokern L4: ein schneller Mikrokern 2. 3. L4Linux: Linux auf einem Mikrokern L4Linux: Linux auf einem Mikrokern 3. 4. Weiterentwicklungen, Zukunft Weiterentwicklungen, Zukunft 4. 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 2 Folie 2 Michael Steil Michael Steil

Geschichte der Kernarchitektur Geschichte der Kernarchitektur • Monolithische Kerne Monolithische Kerne • • Mikrokerne der ersten Generation Mikrokerne der ersten Generation • • Mikrokerne mit Kompromissen Mikrokerne mit Kompromissen • • Mikrokerne der zweiten Generation Mikrokerne der zweiten Generation • 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 3 Folie 3 Michael Steil Michael Steil

18.04.2002 18.04.2002 Die L4 Die L4-Mikrokern Mikrokern-Familie Familie Folie 4 Folie 4 Michael Steil Michael Steil

Monolithische Kerne Monolithische Kerne • • Alles zu einem Binary gebunden Alles zu einem Binary gebunden • Wenig Struktur, wenig Schichtung, wenig Interfaces • Wenig Struktur, wenig Schichtung, wenig Interfaces System calls Interrupts and Traps Map- Page Terminal handling Sockets File Signal Process Faults ping naming handling creation Raw Cooked tty Network File Virtual tty protocols systems Memory Line Routing Buffer Page Process disciplines Cache Cache scheduling Character Network Disk device drivers Process Devices device drivers dispatching 4.4BSD Kern 4.4BSD Kern 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 5 Folie 5 Michael Steil Michael Steil

Vor- - und Nachteile und Nachteile Vor • Vorteile Vorteile • – (Zunächst) einfache Entwicklung – (Zunächst) einfache Entwicklung – Hohe Geschwindigkeit Hohe Geschwindigkeit – • Nachteile Nachteile • – Mangelnde Robustheit Mangelnde Robustheit – – Mangelnde Modularität Mangelnde Modularität – und somit s und somit schlechte Wartbarkeit chlechte Wartbarkeit – Mangelnde Flexibilität Mangelnde Flexibilität – 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 6 Folie 6 Michael Steil Michael Steil

Mikrokerne Mikrokerne „Traditionell wird das Wort ‚Kern‘ zur Bezeichnung „ Traditionell wird das Wort ‚Kern‘ zur Bezeichnung desjenigen Teils des Betriebssysstems desjenigen Teils des Betriebssysstems verwendet, den alles andere an Software verwendet, den alles andere an Software verpflichtend gemeinsam hat. verpflichtend gemeinsam hat. Die grundsätzliche Idee des Mikrokern- Die grundsätzliche Idee des Mikrokern -Ansatzes Ansatzes ist es, diesen Teil zu minimieren, d.h. was immer ist es, diesen Teil zu minimieren, d.h. was immer möglich ist außerhalb des Kerns zu möglich ist außerhalb des Kerns zu implementieren.” implementieren.” J. Liedtke J. Liedtke 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 7 Folie 7 Michael Steil Michael Steil

Mikrokerne Mikrokerne • • Minimierung des Kerns Minimierung des Kerns Anwendung • User- -Mode Mode- -„Server“ „Server“ Anwendung • User Server Grafik-API Dateisystem-API Kern Sound-API Grafik-Treiber Dateisystem Sound-Treiber HD-Treiber Pager User Mode Mikrokern Kernel Mode Scheduler IPC Speicher 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 8 Folie 8 Michael Steil Michael Steil

OS Personalities OS Personalities • Sammlung von Servern, die ein BS ausmachen • Sammlung von Servern, die ein BS ausmachen • Mehrere Personalities gleichzeitig möglich Mehrere Personalities gleichzeitig möglich • Windows - Anwendung Linux - Windows - Linux - Anwendung Anwendung Anwendung WINE Bibliotheken Windows - Linux - Bibliotheken Bibliotheken Linux-Kern Windows -Server Linux -Server Mikrokern-Kern Linux mit WINE Mikrokern mit zwei Personalities 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 9 Folie 9 Michael Steil Michael Steil

Vor- - und Nachteile und Nachteile Vor • Vorteile • Vorteile – Höhere Robustheit – Höhere Robustheit – H Hö öhere Modularit here Modularitä ät t – – H Hö öhere Flexibilit here Flexibilitä ät t – – Höhere Sicherheit Höhere Sicherheit – – Geringerer Speicherbedarf Geringerer Speicherbedarf – – Bessere Reaktionszeit auf Interrupts Bessere Reaktionszeit auf Interrupts – – Einfacherer Umgang mit SMP Einfacherer Umgang mit SMP – • Nachteil Nachteil • – Massive Performanceprobleme aufgrund der Massive Performanceprobleme aufgrund der – gesteigerten Interprozeß ßkommunikation kommunikation gesteigerten Interproze 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 10 Folie 10 Michael Steil Michael Steil

Mikrokerne mit Kompromissen Mikrokerne mit Kompromissen • • IPC- IPC -Performance war nicht signifikant zu steigern Performance war nicht signifikant zu steigern • Reintegration zeitkritischer Server in den Kern • Reintegration zeitkritischer Server in den Kern • • Vorteile nur eingeschränkt erhalten Vorteile nur eingeschränkt erhalten Anwendung Sound-API User Mode Sound-Treiber Pager „Mikrokern“ Kernel Mode Scheduler IPC Speicher Grafik-Treiber Dateisystem ... Grafik-API Dateisystem-API HD-Treiber 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 11 Folie 11 Michael Steil Michael Steil

Die zweite Generation Die zweite Generation • Eigenschaften: Eigenschaften: • – Höhere Geschwindigkeit – Höhere Geschwindigkeit – Höhere Flexibilität Höhere Flexibilität – • Hauptvertreter Hauptvertreter • – L4 L4 – – QNX Neutrino QNX Neutrino – 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 12 Folie 12 Michael Steil Michael Steil

L4 L4 • Mikrokern der zweiten Generation • Mikrokern der zweiten Generation • Entwickelt von Prof. Jochen Liedtke bei der Entwickelt von Prof. Jochen Liedtke bei der • GMD, bei IBM und an der Universität Karlsruhe GMD, bei IBM und an der Universität Karlsruhe • Viele Implementierungen: • Viele Implementierungen: – L4/x86 L4/x86 – – L4/Alpha, L4/MIPS L4/Alpha, L4/MIPS – – Fiasco (Dresden) Fiasco (Dresden) – – Hazelnut (Karlsruhe) Hazelnut (Karlsruhe) – – weitere weitere – 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 13 Folie 13 Michael Steil Michael Steil

Geschwindigkeitsanalyse Geschwindigkeitsanalyse Potentielle Performance- -Bremsen Bremsen Potentielle Performance – Umschalten zwischen Kernel – Umschalten zwischen Kernel- - und User und User- -Mode Mode – Kontextwechsel Kontextwechsel – – IPC – IPC Konzeption nicht fü ür Performance r Performance- -Probleme Probleme Konzeption nicht f verantwortlich, verantwortlich, Implementierungen verantwortlich! verantwortlich! Implementierungen 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 14 Folie 14 Michael Steil Michael Steil

Geschwindigkeitssteigerung Geschwindigkeitssteigerung Designprinzipien: Designprinzipien: – Bottom Bottom- -Up Up- -Konstruktion Konstruktion – – Minimale Minimale Abstraktion der Maschine Abstraktion der Maschine – – Kern notwendigerweise in Assembler Kern notwendigerweise in Assembler – geschrieben geschrieben 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 15 Folie 15 Michael Steil Michael Steil

Architektur von L4 Architektur von L4 • Kern kümmert sich nur um: Kern kümmert sich nur um: • – Maschinenverwaltung Maschinenverwaltung – – Grundlegende Speichervergabe Grundlegende Speichervergabe – – Thread Thread- -Verwaltung, Scheduling Verwaltung, Scheduling – – Interprozeßkommunikation – Interprozeßkommunikation • Nur sieben Systemaufrufe Nur sieben Systemaufrufe • ipc ipc thread_schedule thread_schedule id_nearest id_nearest lthread_ex_regs lthread_ex_regs fpage_unma fpage_unma task_new task_new p p thread_switc thread_switc h h 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 16 Folie 16 Michael Steil Michael Steil

Speicher Speicher nicht Code belegt Speicher einer Anwendung nicht Code belegt Speicher des Pagers/Speichermanagers kein L4 Speicher Physischer Speicher 18.04.2002 18.04.2002 Die L4-Mikrokern Die L4 Mikrokern-Familie Familie Folie 17 Folie 17 Michael Steil Michael Steil