On µ-Kernel Construction - isti.tu-berlin.de · Threads und IPC Eindeutige IDs Flexibel genug? Funktionalitat¨ Ein Konzept ist nur dann im Kern erlaubt, wenn die Anforderungen an

On µ-Kernel Construction

von Jochen LiedtkeVorgetragen durch: Janis Danisevskis

9. Juni 2010

Motivation1. Frage: Funktionalitat

2. Frage: Implementations Details3. Frage: Portierbarkeit

µ-Kern ImplementationenZusammenfassung

Pizza

Motivation

Vorteile von µ-KernenModularitatIsolation von ServernFlexibilitat

AberEffizienz?!?

Vortragender: Janis Danisevskis On µ-Kernel Construction 2/35




Pizza

Motivation

Vorteile von µ-KernenModularitatIsolation von ServernFlexibilitat

AberEffizienz?!?





Pizza

These

Wir haben es einfach noch nicht richtig gemacht.





Pizza

Fragen

Welche Funktionalitat gehort in den Kern?Was muss man bei der Implementation dieser Fuktionalitatbeachten?Welche Implikation hat die vorgeschlageneVorgehensweise auf die Portierbarkeit des µ-Kerns?





Pizza

Fragen






Pizza

Fragen






Pizza

Outline

1 Motivation

2 1. Frage: Funktionalitat

3 2. Frage: Implementations Details

4 3. Frage: Portierbarkeit

5 µ-Kern Implementationen

6 Zusammenfassung





Pizza

AdressraumeThreads und IPCEindeutige IDsFlexibel genug?

Funktionalitat

Ein Konzept ist nur dann im Kern erlaubt, wenn dieAnforderungen an die Funktionalitat des Gesamtsystems nichterfullt werden konnen, falls sich das Konzept nicht im Kernbefindet.

Anforderungen an das Gesamtsystem

Unabhangigkeit: Ein Subsystem S darf nicht durch einanderes Subsystem S′ gestort werden.Integritat: Ein Subsystem S muss Garantien gebenkonnen auf die sich andere Subsysteme verlassen konnen.





Pizza


Funktionalitat

Ein Konzept ist nur dann im Kern erlaubt, wenn dieAnforderungen an die Funktionalitat des Gesamtsystems nichterfullt werden konnen, falls sich das Konzept nicht im Kernbefindet.

Anforderungen an das Gesamtsystem

Unabhangigkeit: Ein Subsystem S darf nicht durch einanderes Subsystem S′ gestort werden.Integritat: Ein Subsystem S muss Garantien gebenkonnen auf die sich andere Subsysteme verlassen konnen.





Pizza


Die Kernkonzepte

AdressraumeThreads und IPCEindeutige IDs





Pizza


Adressraume

Adressraume sind eine Abstraktion eines wie auch immergestalteten Hardwarekonzepts der Speicherverwaltung.





Pizza


Am Anfang war σ0

σ0 ...... ist die Mutter aller Adressraume und hat auf magischeWeise samtlichen im System verfugbaren Speicher.... wird von einem initialien Subsystem S0 verwaltet





Pizza


Address Space Operatrionen

Grant

Ubertragt eine Seite aus dem eigenen Address Space in deneines anderen Subsystems.

MapReicht Zugriffsrechte auf eine eigene Seite an eine andereTask weiter.

FlushMacht alle Map-Operationen auf eine Seite ruckgangig.





Pizza



Grant








Pizza



Grant








Pizza


Ein Beispiel





Pizza


Threads

Ein Thread ...... ist eine Aktivitat, die in einem Address Space ausgefuhrtwird.... ist charakterisiert durch einen Registersatz (mitinstruction pointer, stack pointer und Statusregister).... ist genau einem Address Space zugeordnet.

Die Zuordnung zu einem Address Space wird bedingt durch dieForderung nach Unabhanigkeit (pricipal of independence)





Pizza


Threads







Pizza


Threads







Pizza


IPC

IPC ...... ist die Kommunikation zwischen Threads insbesondereuber Address Space Grenzen hinweg.... forciert Ubereinkunfte zwischen den kommunizierendenParteien.

IPC tragt der Forderung nach Integritat Rechnung.





Pizza


IPC

IPC ...... ist die Kommunikation zwischen Threads insbesondereuber Address Space Grenzen hinweg.... forciert Ubereinkunfte zwischen den kommunizierendenParteien.

IPC tragt der Forderung nach Integritat Rechnung.





Pizza


Interrupts als IPC

Gerate sind Aktivitaten.Interrupts sind ihre IPC Nachrichten

Der Kern muss Interrupts in IPC Nachrichten ubersetzen.





Pizza


Interrupts als IPC

Gerate sind Aktivitaten.Interrupts sind ihre IPC Nachrichten

Der Kern muss Interrupts in IPC Nachrichten ubersetzen.





Pizza


Eindeutige IDs

Eindeutige IDs als Kernkonzept tragen der Forderung nachIntegritat des Systems Rechnung.





Pizza


Flexibel genug?

Speicherverwaltung ?





Pizza


Flexibel genug?

Speicherverwaltung X

Multimedia Resource Allocation?

Durch verschiedene Implementationen von Memorymanagernund Pagern lassen sich gleichzeitig Multimedia undTimesharing Strategien realisieren.





Pizza


Flexibel genug?


Multimedia Resource Allocation X

Treiber ?

Interrupts als IPCIO durch Address Space mapping





Pizza


Flexibel genug?



Treiber X

Remote Communication ?

Kommunikationsserverbenutzt Treiberserver





Pizza


Flexibel genug?



Treiber X

Remote Communication X

Unix Server ?

Systemcalls via IPCAls Pager kann memory sharing realiziert werden





Pizza


Flexibel genug?



Treiber X

Remote Communication X

Unix Server X





Pizza

Switching OverheadSpeichereffekte

Noch einmal die These

Wir haben es einfach noch nicht richtig gemacht.Aber was kann man besser machen?





Pizza


Der NULL-Syscall

getpid/get self thread

Mach 3.0, NORMA MK 13 auf 486/50: 18 µsa

L3 auf 486/50: 3 µsaGemessen von Ousterhout [1990]

Daraus folgt:Kern-User-Umschaltung muss nicht so teuer sein wie bis datoangenommen.





Pizza


Der NULL-Syscall

getpid/get self thread

Mach 3.0, NORMA MK 13 auf 486/50: 18 µsa

L3 auf 486/50: 3 µsaGemessen von Ousterhout [1990]

Daraus folgt:Kern-User-Umschaltung muss nicht so teuer sein wie bis datoangenommen.





Pizza


Address Space Umschaltung

FaktenUmschalten der Seitentabelle ist schnell (1–10 Takte)Die Kosten entstehen durch die TLB Architektur

Tagged TLBKeine zusatzlichen Kosten. Der TLB ist transparent bezuglichder Umschaltung der Seitentabelle.

Untagged TLB

Bei der Umschaltung der Seitentabelle muss der TLB geleertwerden was eine Reihe von TLB misses zur Folge hat.





Pizza





Untagged TLB






Pizza





Untagged TLB






Pizza


Zahlen und Strategien





Pizza


Vergleich von Roundtrip Zeiten





Pizza


Nutzung von Segmentierung zahlt sich aus





Pizza


Versuchsaufbau

System M: Mach µ-Kern + Unix ServerSystem U: Ultrix (Monolitischer Unix Kern)

Benchmarkssed, egrep, yacc, gcc, compress, espresso, ab

Zu Messen:MCPI: Memory Cycle overhead per instructionAufgeteilt in:

cache misses im Kern (schwarz)write buffer stalls, unchached reads und cache misses imuser space (weiß)





Pizza


Die Messungen





Pizza


Auswertung

Im Durchschnitt kein Unterschied im Userspace.Deutlich hoherer MCPI Beitrag durch cache misses imKern bei Mach

Zweite Messungconflict misses im Kern (schwarz)capacity misses im Kern (weiß)





Pizza


Auswertung

Im Durchschnitt kein Unterschied im Userspace.Deutlich hoherer MCPI Beitrag durch cache misses imKern bei Mach

Zweite Messungconflict misses im Kern (schwarz)capacity misses im Kern (weiß)





Pizza


Die Messung 2





Pizza


Fazit

Mach steht sich selbst im Weg!

Laut LiedtkeEin konzeptioneller Fehler





Pizza

Portierbarkeit

Theseµ-Kerne sind von Natur aus nicht portierbar.





Pizza

Unterschiede kompatibler Prozessoren

486 versus Pentium





Pizza


486 versus Pentium

486 PentiumBegunstigsteAddress SpaceUmschaltung

TLB Flush + PageTable

Segmentumschaltung





Pizza


486 versus Pentium

user-address-space multiplexer, modified address-space switch routines, handling of user supplied addresses,thread controll blocks, task controll blocks, IPC implementation

Betrifft die Halfte aller Module des µ-Kerns





Pizza


486 versus Pentium

Die 2 way Assoziativitat des Pentium cache begunstigt cache-Konflikte warend der IPC.Losung: Ausrichten der Thread Kontrollblocke an 1K statt an 4K Grenzen.

Betrifft neben der Organisation im Kern auch Userspace-Programme(Anderung der uids)





Pizza

Unterschiede nicht kompatibler Prozessoren ...

... um Großenordnungen großer.





Pizza

µ-Kerne

SynthesisCompiler im Kern

SpinCompiler im KernErweiterbar durch Usercode im Kern

Utah-MachMach mit thread-migrating RPC (um den Factor 3–4bessere Performance)





Pizza

µ-Kerne

DP-Machprotection domains innerhalb eines Adressraumes

PandaVirtueller Prozessor

Cache-KernelVirtual MachineCached Kernel, Threads, Adressraume und Mappings





Pizza

µ-Kerne

ExokernelPrimitive statt AbstraktionenStark hardwarabhangig auch das Interface





Pizza

Zusammenfassung

µ-Kerne stellen minimale Abstraktionen bereit auf denenman beliebige OS-Personalities implementieren kann.µ-Kernel mussen stark an die jeweiligeProzessorarchitektur angepasst werden und sind dahervon Natur aus nicht portierbar.Leistungsfahige µ-Kerne sind durch die starkprozessorspezifische Implementation vonprozessorunabhanigen Abstraktionen realisierbar.





Pizza

Pizza

Pizza!


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