Документирование среды программирования для операционной системы L4Ka(Documenting the programmer environment for L4ka)

Цель работы
Главными задачами диплома являются:
Работа раскрывает два аспекта: управление памятью (memory management) и взаимодействие между процессами (ВМП) (IPC – inter-process communication)
документирование системных вызовов (system calls)
среды программирования операционной
системы L4Ka
создание полноценного руководства программиста
расширение функциональности менеджера памяти σ0
написание процедуры обработки аппаратных прерываний (interrupt service routine)

Управление памятью
выделение (mapping) регионов физической памяти
выделение/освобождение (unmapping) и
передача (granting) регионов памяти между задачами (tasks)

Взаимодействие между процессами
написание сервиса для аппаратных
прерываний (interrupt service routine)
расширение функциональности менеджера памяти σ0
обмен сообщениями между задачами (tasks)
и нитями (threads)

Операционные системы (ОС)
ОС – это программа, предназначенная для управления всеми ресурсами вычислительной машины с целью предоставления возможности пользователям эффективно решать прикладные задачи
Классификация по структуре ядра (kernel):
операционные системы без ядра (MS-DOS)
операционные системы с макро-ядром (Unix, Windows)
операционные системы с микро-ядром (L4, Mac OS X, Mach, Nomad OS)

Схема ОС с макро-ядром

Схема ОС с микро-ядром

L4Ka – ОС с микро-ядром
Основные механизмы:
нити (threads) – процессы, имеющие единое адресное
пространство и выполняющиеся параллельно
ВМП (IPC) – фундаментальный способ взаимодействия
между нитями
адресное пространство (address space) – защищенный набор
преобразований виртуальных адресов в физические
планирование машинного времени (scheduling) – обеспечи-
вает контроль над порядком и длительностью выполнения
нитей
Системные вызовы:
7 системных вызовов для изменения состояния системы

Адресное пространство (АП)
АП – это набор преобразований (translations) из виртуальных адресов в физические; содержит все регионы памяти доступные для нити напрямую.

Адресное пространство (2)
map – регион памяти
в общем владении
grant – регион памяти
передается с потерей
прав

Адресное пространство (3)
Задача – набор нитей, использующих адресное
пространство совместно (shared)
Нить определяется:
используемым адресным пространством
уникальным идентификатором (unique ID)
набор регистров (register set)
менеджер памяти (pager – page fault handler)
Менеджер памяти – нить, которая обрабатывает
ошибки из-за отсутствия страницы памяти (page faults)
σ0 – корневой менеджер памяти, владеющий всей памятью после запуска L4Ka

Менеджер памяти

Корневой менеджер памяти σ0

Планирование машинного времени

Типы данных OC L4Ka
Основные типы данных:
уникальный идентификатор (UID – unique ID)
flex-pages
тайм-аут (timeout)
результат ВМП (IPC result status)
параметр планирования (schedule parameter word)

Уникальный идентификатор

Flex-pages
Flex-page – это непрерывные регионы адресного пространства
необходимы для операций map и grant
передаются как часть ВМП сообщений (IPC messages)
имеют размер 2s (для х86 архитектуры s≥12)
базовый адрес b выровнен по значению 2s

Тайм-аут (timeout)
Тайм-аут используется для контроля ВМП.
В 32-х битном поле определены четыре тайм-аута.

Тайм-аут (timeout) (2)

Результат одной коммуникации между нитями возвращается в 32х-битном поле.
Поле «mwords» говорит о числе принятых 32х-битных слов.
Поле «strings» говорит о числе принятых строк.
Младшие восемь бит представляют «код условия» (condition code), в котором закодирован код ошибки и тип сообщения.
Результат ВМП (IPC result status)

В L4Ka имеется только один параметр для планирования.
Он содержит поля в которых закодирован приоритет и длина кванта времени (в соответствии со спецификацией тайм-аута).
Параметр планирования (schedule parameter word)

Системный вызов l4_myself
Системный вызов возвращает уникальный идентификатор
текущей нити.

Системный вызов l4_unmap
Регион памяти, описанный входным параметром fpage,
будет освобожден (удален из адресного пространства нити).

Системный вызов l4_thread_ex_regs
С помощью этого системного вызова можно получить или
изменить регистры EIP и ESP набора регистров нити.
Таким образом, можно создать новую нить, указав в качестве
входных параметров значения для EIP, ESP, уникальный
идентификатор менеджера памяти.

Системный вызов l4_thread_switch
Вызывающая нить добровольно освобождает ресурсы
процессора. Планировщик выбирает следующую нить.

Системный вызов l4_thread_schedule
Изменение значений приоритета и длины кванта времени
нити производится посредством передаче в качестве
входного параметра структуры schedule param word.
Системный вызов также возвращает время процессора в
микросекундах, израсходованное нитью.

Системный вызов l4_task_new
Этот системный вызов удаляет и/или создает задачу.
Удаление задачи означает удаление адресного пространства
задачи и всех ее нитей.
Задачи могут быть созданы активными или пассивными.
При создании активной задачи создается новое адресное
пространство вместе с полным набором нитей (64).
Пассивная задача пуста – не поглощает ресурсов процессора,
не имеет ни адресного пространства, ни нитей,
коммуникация с ней невозможна.
Пассивная задача по сути не существует и представляет собой
лишь возможность, право создать активную задачу с
данным уникальным идентификатор.