TempOS: faça seu próprio sistema operacional à mão, e do zero!

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1 TempOS: faça seu próprio sistema operacional à mão, e do zero! Renê de Souza Pinto Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação - ICMC Universidade de São Paulo - USP - São Carlos Abril / 2013 Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

2 Agenda 1 Motivação Disciplinas de SO 2 Trabalhos Relacionados 3 Projeto TempOS 4 A Plataforma TempOS Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

3 Origem Curiosidade em desvendar o funcionamento do PC. Engenharia de computação: O curso abrange desde o mais baixo nível do hardware (construção de transistores) até o mais alto nível de software com a abstração das linguagens de alto nível. Sistema Operacional (SO): Elo entre Hardware e Software. Implementar um SO possibilita entender como a teoria é realizada na prática, compreender efetivamente esse elo. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

4 Motivação Décadas de 1960/70: Intenso desenvolvimento de SO na indústria. Décadas de 1980/90: Hegemonia de produtos proprietários. Disciplina de SO: Caráter de fundamentação teórica. Décadas de 2000/10: Evolução de arquiteturas embarcadas capazes de executar Sistemas Operacionais sofisticados (como o Linux). Demanda de profissionais para desenvolvimento de SO. Disciplina de SO: Caráter de fundamentação teórica + Capacitação técnica para atuação na área Cenário propício: Proliferação de sistemas embarcados em aplicações de consumo. Proliferação de sistemas embarcados críticos (novos desafios). Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

5 Motivação O que é um Sistema Operacional? Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

6 Motivação Necessidade de uma ferramenta de estudo factível aos alunos (sistemas muito complexos são difíceis de se estudar). Exame das ementas dos cursos de SO em diversas universidades no Brasil 1 e no exterior mostrou que geralmente um curso de SO é dividido em duas disciplinas: SOI e SOII. 1 USP, UNICAMP, UFSCAR, UFES, entre outras. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

7 Trabalhos Relacionados Nachos[2] - System/161[3] - GeekOS - Minix[4] - Xinu. Topsy. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

8 Nachos Desenvolvido pela Universidade de Berkeley, CA. O núcleo do Nachos executa em cima de outro Sistema Operacional (um SO hospedeiro ), simulando uma arquitetura MIPS R2000/3000. Caso o SO hospedeiro seja de uma arquitetura diferente (IA-32, por exemplo), é necessário fazer uma compilação cruzada para compilar os aplicativos que serão executados no simulador do Nachos. Na utilização descrita, os estudantes recebem apenas um esqueleto do código, e durante as práticas vão desenvolvendo as funcionalidades não implementadas. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

9 System/161, OS/161 Desenvolvido pela Universidade de Harvard. Fornece um simulador para uma arquitetura de hardware (MIPS) e um Sistema Operacional para executar neste simulador (OS/161). Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

10 GeekOS Desenvolvido pela Universidade Marryland, College Park. Suporta arquitetura IA-32 (x86), podendo executar tanto no hardware real quanto em emuladores (bochs). É basicamente um esqueleto de SO, nas disciplinas de laboratório os alunos desenvolvem funcionalidades através de práticas individuais durante o período de um semestre. A ultima versão já deixou de ter o pretexto exclusivamente educacional. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

11 Minix Escrito por Andrew S. Tanenbaum entre 1984 e Projeto mais notável na área. Clássico livro texto Operating Systems Design and Implementation que aborda o Minix. Versão 3 do Minix deixou de ter intuito educacional. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

12 Projeto TempOS Objetivo: Elaborar uma plataforma para ensino e treinamento em desenvolvimento de Sistemas Operacionais. Metodologia: Abordagem de aprendizado baseado em projeto. Desenvolvimento integral de um SO simples, porém funcional. Plataforma constituída de uma especificação de arquitetura de SO com estrutura de implementação simples (na medida do possível). Roteiro baseado em módulos teóricos sequencialmente conectados com a arquitetura e implementação. Sintetizar o material para que seja viável sua utilização em cursos universitários. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

13 Projeto TempOS No que o projeto proposto difere dos trabalhos relacionados? Plataforma de ensino e treinamento voltada à capacitação para Desenvolvimento de SO. Metodologia baseada em projeto e implementação completa de um SO simples, porém funcional. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

14 Projeto TempOS Por que não utilizar projetos já existentes como base, por exemplo, kernel Linux ou Minix? Renê de Souza Pinto TempOS Abril / / 32

15 Projeto TempOS Sistemas Operacionais atuais (Minix, kernel Linux) possuem códigos fortemente acoplados com diversos conceitos teóricos: Renê de Souza Pinto TempOS Abril / / 32

16 Projeto TempOS O objetivo é fornecer um código sequenciado com os conceitos: Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

17 Plataforma de Ensino A Plataforma TempOS Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

18 TempOS Plataforma TempOS (lê-se têm-pos), composta por: TempOS: TempOS is an educational and multi purpose Operating System, é o SO exemplo da plataforma. Especificação da Arquitetura do SO: Segue o modelo do Unix. Kernel monoĺıtico. Padrão POSIX: chamadas ao sistema, aplicativos de usuário, Shell, etc. O foco da plataforma é o desenvolvimento do kernel. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

19 TempOS Roteiro de referência (passo a passo) para a implementação. Vasta documentação do kernel, definição da API completa de todas as funções auto-gerada através da ferramenta doxygen, o que permite sincronismo com o código fonte mais atual. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

20 TempOS - Arquitetura Geral Usuário Aplicações Modo Usuário Modo Kernel Sistema Gráfico Shell ls cp who rm... Bibliotecas chamadas ao sistema KERNEL Figura : Arquitetura TempOS (monoĺıtica): Visão Geral. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

21 TempOS - Arquitetura do Kernel Figura : TempOS: Arquitetura do Kernel. Adaptado de Bach[1]. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

22 TempOS - Arquitetura do Kernel Composta por seis módulos principais: Interface de Chamadas ao Sistema Camada de Sistemas de Arquivo Virtual (VFS) Cache de Blocos Drivers de Dispositivo Subsistema de Controle de Processos Controle de Hardware Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

23 TempOS TempOS: TempOS is an educational and multi purpose Operating System. Sítio do projeto: Escrito exclusivamente em Linguagem C e Assembly (sintaxe AT&T). Desenvolvido totalmente no GNU/Linux e com ferramentas livres. Possui um sofisticado sistema de compilação, pode ser compilado e emulado sem a necessidade de permissões de super-usuário (root). Executa em um PC comum e em emuladores (qemu). Licenciado sob a GNU GPLv2 - GNU General Public License, versão 2. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

24 TempOS: Mascote Mascote: Figura : Astolfo, mascote oficial do TempOS. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

25 TempOS: Mascote Rene de Souza Pinto TempOS Abril / / 32

26 TempOS Segue a especificação de Multiboot (bootável pelo GRUB). Funções da Biblioteca C implementadas (strcat, memcpy, printf, etc). Tipos de dados padronizados (uint32 t, ulong t, etc). Paginamento de memória permitindo implementação de swap. Realocação dinâmica do Kernel (0-3GB para usuário / 3-4GB para Kernel). Sistema de compartilhamento de IRQs. Drivers para Video (modo texto), Teclado, Temporizador (PIT) e Controlador de Interrupções (PIC). Mecanismo de chamadas ao sistema. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

27 TempOS Gravação e leitura de setores do disco pelo driver PATA (IDE). Leitura de partições primárias e estendidas do disco. Sistema de Arquivos EXT2: Suporte parcial (ainda somente leitura). Cache de blocos do disco. Suporte completo à Threads de Kernel e processos de usuário. Escalonador de processos: Poĺıtica round-robin. Camada VFS (Virtual File System) com suporte parcial ao EXT2. Código integralmente documentado com doxygen. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

28 Resultados: TempOS - Executando no QEMU Figura : TempOS executando no QEMU. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

29 Resultados: TempOS - Executando em um notebook Figura : TempOS executando em um hardware real. Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

30 Obrigado. Dúvidas? Renê de Souza Pinto TempOS Abril / / 32

31 Referências I Maurice J. Bach. The design of the Unix Operating System. Prentice-Hall, W.A. Christopher, S.J. Procter, and T.E. Anderson. The Nachos instructional operating system. In Proceedings of the USENIX Winter 1993 Conference Proceedings on USENIX Winter 1993 Conference Proceedings, page 4. Usenix Association, D.A. Holland, A.T. Lim, and M.I. Seltzer. A new instructional operating system. In Proceedings of the 33rd SIGCSE technical symposium on Computer science education, pages ACM, A.S. Tanenbaum. A UNIX clone with source code for operating systems courses. ACM SIGOPS Operating Systems Review, 21(1):29, Renê de Souza Pinto (rene@icmc.usp.br) TempOS Abril / / 32

32 Referências II Renê de Souza Pinto TempOS Abril / / 32