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教育用 OS のソフトウェア工学的側面 - udos の開発を通して -

教育用 OS のソフトウェア工学的側面 - udos の開発を通して -. 権藤 克彦（東工大） 大場 勝（東工大）. 教育用 OS udos を作りました．. まずは デモ ． 特徴： 小さい ．約 5,000 行． C とアセンブリ． 実機で動作 ． PC/AT 機（レガシー FDD ）． 最小限度の機能． KISS の追求． preemptive マルチタスク（ nonpreemptive カーネル ）， IA-32 の保護モード，仮想メモリ , FAT12, Unix API( 一部 ) ．

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教育用 OS のソフトウェア工学的側面 - udos の開発を通して -

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Presentation Transcript

  1. 教育用OSのソフトウェア工学的側面- udosの開発を通して- 権藤 克彦（東工大） 大場 勝（東工大） FOSE2004@伊勢志摩

  2. 教育用OSudosを作りました． • まずはデモ． • 特徴： • 小さい．約5,000行． Cとアセンブリ． • 実機で動作．PC/AT機（レガシーFDD）． • 最小限度の機能．KISSの追求． • preemptiveマルチタスク（nonpreemptiveカーネル），IA-32の保護モード，仮想メモリ, FAT12, Unix API(一部)． • ハード：PIT, PIC, DMAC, KBDC, VGA, FDCのみ. FOSE2004@伊勢志摩

  3. 主張 • OSは抽象→具体の追跡性が悪い． • そもそも，OS開発者用のよい抽象がない． • OSとハードウェアの役割分担が不明． • udos開発で苦労した経験から． • hard-won experience． ソフトウェア工学はOS開発に貢献してない！ FOSE2004@伊勢志摩

  4. 抽象と具体の大きなギャップ OS教科書 OS解説本 大きなギャップ 具体的 すぎる 抽象的 すぎる OSとハードの 役割分担は？ 落下中 FOSE2004@伊勢志摩

  5. OSとハードウェアの役割分担（１） • 例：カーネルとフロッピーディスク FDC カーネル I/O命令 read 割り込み アプリ • ファイル抽象 • 同期・排他制御 • ブロック単位 の読み書き ユーザ 空間 カーネル 空間 FOSE2004@伊勢志摩

  6. OSとハードウェアの役割分担（２） • 抽象「FD=セクタ単位でアクセスする，１つの巨大なファイル．」は単純すぎ． • 実際はもっと複雑． • 同期・排他制御の粒度・方法が不明． • 複数のI/O命令と割り込みが必要． • FDCやDMACの初期化・監視・リセットが必要． • ハードの制約・定石：モータ，seek, recalibrateなど． モジュール化 しても漏れる FOSE2004@伊勢志摩

  7. そもそも抽象化とは．．． • 抽象化とは目的に応じて， • 性質や機能の詳細を省き， • 重要な点を残すこと． • 抽象化は難しい． • 様々な方向，様々なレベル． • 上手にできるとは限らない．例：fork • 具象化への追跡性がないと意味なし． FOSE2004@伊勢志摩

  8. 既存の抽象化≠OS実装理解の抽象化 • 既存の抽象化： • 外部仕様- 例：POSIX API • 拡張性・移植性・保守性用 • 例：VFS, STREAMS, devsw, LKM • 間接層を増す→理解は複雑に． • 半同期・半非同期パターン - 抽象しすぎ． • OS教科書 - ハード非依存の浅い説明． FOSE2004@伊勢志摩

  9. 実用OSコードでは複雑すぎ． • 最適化，エラー処理． • 多くのデバイス/モードのサポート • 多くの間接層． • 多くの機能 • 例：NTFSはFATに比べて複雑． FOSE2004@伊勢志摩

  10. 図：多すぎる間接層 • OSソース読み＝たまねぎの皮むき． • どこまで読んでも本質が見えない． うきっ VFS devsw STREAMS FOSE2004@伊勢志摩

  11. どんな抽象化が欲しいのか？ カーネルの（非）モニタ化がポイント！ 使い方の 本質は？ ユーザ readで読める 例えば， これが欲しい． 見方が違う カーネル 作り方の 本質は？ フロッピー 開発者 OS FOSE2004@伊勢志摩

  12. カーネルの（非）モニタ化とは？ • 2種類の preemptiveマルチタスク． • nonpreemptive カーネル • カーネルをモニタとみなす． • ○同期処理が楽・簡潔． • preemptive カーネル • カーネル中も細粒度で排他制御． • ×同期処理が複雑．○反応速度向上． nonpreemptiveマルチタスク とは別用語． FOSE2004@伊勢志摩

  13. udosのfd.c 半同期・半非同期パターン カーネルがモニタの一種． sync_wait = Javaのwait sync_notify = Javaのnotify ミドルレベルの抽象を提供． 具象への追跡性がよい． 抽象例：カーネル＝モニタ． 具象例：sync_wait は ljmpのタスクスイッチで実現． FDC_read_write () { while (fd_is_busy) sync_wait (&fd_is_busy); fd_is_busy = 1; FDC_seek (); sync_wait (&ident_fd); FDC_setup_DMAC (); read_write_command (); sync_wait (&ident_fd); fd_is_busy = 0; sync_notify (&fd_is_busy); } FDC_intr_handler () { sync_notify (&ident_fd); } udosの場合は．．． この位の抽象度が欲しい． FOSE2004@伊勢志摩

  14. 教育用OS よい抽象は教育用OSが与える（べき） • ミドルレベルの抽象化． • 高い追跡性． OS教科書 OS解説本 具体的 すぎる 抽象的 すぎる FOSE2004@伊勢志摩

  15. 比較（１）：教育用OS Nachos • Nachosはハードへの追跡性を軽視． • ユーザプロセス上で動作． • CPU（R3000）は精密にエミュレーション． • HDDは単にファイル読み書きで抽象． FOSE2004@伊勢志摩

  16. 比較（２）：OSKit, GRUB • OSKit＝OS開発キット • GRUB=汎用ブートローダ • 疎粒度の高い抽象を提供． • OS開発コストを低減． • コード量が多い→追跡性は悪い． FOSE2004@伊勢志摩

  17. 比較（３）：他の教育用OS • MINIX: 3万行で大きすぎる． • GeekOS: 単純，リアル，理解性． • ≒udosの目標・サイズ． • 追跡性の話なし．ページング・ファイルシステム・fork/execなし． • 他の目的： • Linux拡張，マイクロカーネル，ユビキタス，ネットワーク，組込み，リアルタイム，... FOSE2004@伊勢志摩

  18. まとめ • 主張：教育用OSは抽象→具体の追跡性をよくする（べき）． • 形式的記述としてソースコードは有用． • udos ホームページ • http://www.sde.cs.titech.ac.jp/~gondow/udos/ FOSE2004@伊勢志摩

  19. 将来の展望 • （教育用OS用の）理解支援ツール． • ADIOSドキュメンテーションツール． • 識別子断片コーパス． • 教育用OSが持つべき他の性質． • 例：観察可能性． • 内部動作・複雑な状態を外に公開． by 大場 FOSE2004@伊勢志摩

  20. メモ FOSE2004@伊勢志摩

  21. きれいに抽象化できないこともある． • やさしい例：スタック • 外部仕様と内部仕様がきれいに分離． • そもそも仕様が小さい． • 難しい例：プロセス • 内部仕様の一部が外部仕様に漏れる． • 例：fork 時に継承される属性はいろいろ． FOSE2004@伊勢志摩

  22. fork in POSIX（IEEE 1003.1-2003) • forkはプロセスのコピーを作る． • 例外：PID, PPIDなど，25項目も． • 内部に依存する項目もある． • 例：スケジュールがFIFOかRRなら，スケジューリングポリシーや優先度を継承，それ以外は実装依存． FOSE2004@伊勢志摩

  23. sync task sync task message queue async task hardware 半同期・半非同期パターン • 無いもの • ハードウェア初期化 • プロセススイッチ • 同期・排他制御の方法や粒度 • I/O命令 • ハードウェア制約 • 例：モータON/OFF キューで プロセスを 直列化 sync layer 1, 4: read(data) queueing layer async layer 3: enqueue(data) 2: interrupt FOSE2004@伊勢志摩

  24. FDC N82077（１）：implied seek • implied seek=READ/WRITE前に明示的にSEEKしなくて良い機能． • 元祖FDCμPD765はimplied seekなし． • udosはこちらで実装．明示的にseek． • N82077以降はimplied seekあり． • SEEKコマンド発行の役割分担が変化． FOSE2004@伊勢志摩

  25. FDC N82077(2): モータ制御 • ルール： • READ/WRITEコマンド発行の500ミリ秒以上前にモータをオンにする． • オンのままだとメディアが磨耗．まずい． • udosでの効率化： • READ/WRITE後にモータをオフにしない． • 一秒間何も無ければ，PITハンドラがオフにする． • モータ制御モジュールの外に漏れている！ FOSE2004@伊勢志摩

  26. FDC N82077(3): recalibrate • seek後，目的の位置とずれることがある． • FDDはシリンダ位置情報をくれない． • データを読むと，住所は読める． • seek後のヘッド位置が正しいかは分からない． • recalibrate • 一度，先頭に戻り，ずれをゼロに初期化する． • FDDはヘッドが0シリンダにあるかを検出可能． • いつ，何度リトライすべき? FOSE2004@伊勢志摩

  27. 教育用OSはなぜ必要? うきっ • 「OSはコンピュータに奇跡を起こさせる魔法，OSの講義はその魔法の秘密を学生に説明すべき」 [Dick00] • でも，現実には説明できてない→教育用OS 魔法の言葉 read fork FOSE2004@伊勢志摩

  28. よい抽象は教育用OSが与える（べき） • 「カーネル＝モニタ」というミドルレベルの抽象度が大事． • 教育用ＯＳ（udos）はこれを提供． • OS教科書や実用OSでは分かりにくい． FOSE2004@伊勢志摩

  29. ギター侍 • 「俺は権藤，udos作りました」って言うじゃない．．． • でもアンタ，udosでFn+F5を押すと，なぜ外部ディスプレイ表示になるのか説明できませんから． • 残念！斬り！ FOSE2004@伊勢志摩

  30. FOSE2005 • 場所：仙台 作並温泉（予定） • 仙台駅よりバスで約80分． • よいホテルがあれば教えて下さい．一の坊？ • 第2候補：三浦半島 • 日程：2005年11月（予定） • 委員長 • 権藤克彦（東工大），小林隆志（東工大） FOSE2004@伊勢志摩

  31. メモ • 追跡性とモジュール化の違いは? • udosで理解しても，Linuxが作れるようになるわけではない． • 様々なレベルの教育用OSがあるべき． • OSはモジュール化が難しい例題を与える． • 散らばるcross-cutting concernへの追跡性． • AOPでいけるよね．わりと． FOSE2004@伊勢志摩

  32. メモ • 小さくするために • FATツールとFATコードの共通化 • preloading方式 • 汎用リスト構造 FOSE2004@伊勢志摩

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