Minix Learning

MINIX Learning MINIXの概要と、実践

榎本　優樹

目的

• ML == MINIX Learning

• 当初はMirBSD Learningでした ;-)

• MINIXの概観をつかみ、実際に使ってみる

MirBSD?

• NetBSDから派生したOpenBSDから派生したOS

• “M”から始まるBSDだと、真っ先にこれが浮かんだ

2部構成でいきます

• Tanenbaum 『オペレーティングシステム設計と理論およびMINIXによる実装』(第2版) のまとめ

• Virtual BoxでMINIXを使ったデモンストレーション

『オペレーティングシステム設計と理論およびMINIXによる実装』• 全5章の構成

• オペレーティングシステム概論

• プロセス

• 入出力

• メモリ管理

• ファイルシステム

『オペレーティングシステム設計と理論およびMINIXによる実装』• 全5章の構成

• オペレーティングシステム概論

• プロセス

• 入出力

• メモリ管理

• ファイルシステム

全部なんて到底無理です

(90分x15週ならいける)

目次• OSの機能について(1章)

• MINIXが起動し、シェルが立ち上がるまで(2章)

• MINIX上でのデバイスドライバについて(3章)

• MINIXのメモリ管理について(4章)

• ファイルについて(5章)

1. MINIXとは？

• UNIXのライセンス問題から、TanenbaumがUNIXのソースコードを含まないOSを作ったのが始まり

• 教育用のため、読みやすさ > 機能

OSの役割とは？

• リソースを管理する

• プロセス, メモリ管理

• ユーザに複雑なものを見せない

• ファイル, システムコール

プロセス

• 実行中のプログラムのこと

• プロセスにはアドレス空間が関連付けられている

• 実行可能プログラム, データ, スタック

• プロセスの情報はプロセステーブルに保存される

アドレス空間• テキストセグメント

• プログラムコード

• データセグメント

• 変数

• BRKシステムコールで拡張される

• スタックセグメント

• 必要に応じて成長するテキストデータ

スタックFFFF

0000

空き

[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図1-11

マルチプログラミング• プログラム間を高速で行き来すること

A

B

C

D

プロセス

時間

[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図2-1(c)

ファイル• OSは、デバイスを抽象化する => ファイル

• デバイスの操作を、ファイルの読み書きなどで表すことができるようになる！

• ファイルの保存方法

• ディレクトリという考え方

• ツリー構造

システムコール

• カーネルレベルでの作業を、ユーザがしたいときに呼び出すもの

• いろいろある

• ファイル・ディレクトリ管理, シグナル…

システムコールの実行方法

主メモリ

ユーザプログラム(ユーザモード)

OS(カーネルモード)

トラップ

番号の決定

OSが作業する

戻る


MINIXの内部構造

プロセス管理


ディスクタスク

Tty タスク

クロックタスク

システムタスク

イーサネットタスク …

…

…

メモリマネージャ

ファイルシステム

ネットワークサーバ

init ユーザプロセス

ユーザプロセス


レイヤ

4

3

2

1


サーバプロセス

入出力タスク


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

リソース管理カーネル


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

難しいものを隠す


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク割り込みを捉える

プロセス間通信を処理する


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

デバイスドライバともいう

入出力系のプロセス


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

FORK, BRK

MOUNT, READ


プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

シェル, エディタ, コンパイラなど

2. MINIXの起動についてブートブロック

ブートプログラム

• ROMは、ブートディスクの最初のセクタを読み、そこにあるコードを実行する

[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図2-31(a)

ブートブロック• 最初の512Bにはブートストラッププログラムが格納されており、bootをロードする

512 [B] 512 [B]

1 [KB]

ロードされるセクタ

設定の保存に使えるセクタ

• 第2セクタをbootというプログラムが見る

• bootはOS自体をロードする

• ファイルシステムの/minixファイルか、/minix/以下の最新のイメージ

システムの初期化• 16 [bit]か32 [bit]でMINIXをコンパイルすることができる

• mpx88.sかmpx386.sが使われる

#include <minix/config.h> #if _WORD_SIZE == 2 #include “mpx88.s” #else #include “mpx386.s” #endif

mpx386.s

• 32 bit CPU用の変数や関数の定義をする

• スタックフレームの設定や、各種プロセッサレジスタの設定をする

• 用語いっぱいで難しいので、Cプログラムのための準備をすると考えて下さい

準備が終わったら……• C言語の関数cstartを呼び出す

push edx push ebx push SS_SELECTOR push MON_CS_SELECTOR push DS_SELECTOR push CS_SELECTOR call _cstart

• cstartは32bitプロセッサで使われる

• OS内部のデータ構造を初期化する

今度はmain.cへ飛ぶ

• いろんな初期化をする

• プロセステーブルの初期化

• メモリに関する配列の初期化

• restart()を呼び出し、mainは終了する

restart()の処理• mpx386.sの処理の一部

• 最初に実行されると、MINIXが実行される

• proc_ptrが指しているプロセスを実行する

proc[NR_TASKS+INIT_PROC_NR].p_pid = 1; bill_ptr = proc_addr(IDLE); lock_pick_proc();

/* ここでアセンブリコードを呼び出し、現在のプロセスの実行を開始する */ restart();

initをルートとして……• initからgettyが呼び出される

• getty: 仮想端末を立ち上げる

• gettyからloginが呼び出される

• login: ユーザ名とパスの入力

• loginに成功すると、シェルが立ち上がる

• シェルの子プロセスとして、各プログラムが実行される

init

getty

login

tcsh

lsvimpwd

3. MINIX上でのデバイスドライバについて

プロセス管理



Tty タスク




…

…







レイヤ

4

3

2

1



入出力タスク

特殊ファイル• 入出力デバイスをファイルのように扱うためのもの

• ブロック型特殊ファイル

• ディスクなど、アドレス指定ができるもの

• キャラクタ型特殊ファイル

• 文字の流れを受信したり出力するもの

• プリンタ, モデムなど

デバイスドライバとは• デバイスに関することを処理するプログラム

• デバイスに依存するコードは、全てデバドラ内に記述される

• 例）マウス, USBメモリ

• ソフトウェアからの抽象的な要求を受け入れ、具体的な処理をするのが仕事

UNIXでのデバイスドライバの呼び出し

• UNIXでは、すべてのプロセスがユーザ空間とカーネル空間を持っている

• システムコールが発行されると、切り替わる

• UNIXのデバドラは、プロセスのカーネル空間部によって呼び出される手続き

プロセス

ユーザ空間部ファイルシステム

デバイスドライバ

[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図3-14(b)

ユーザ空間

カーネル空間

MINIXでのデバイスドライバ

• プロセスがファイルシステムのプロセスにメッセージを送る

• ファイルシステムがデバイスドライバへメッセージを送る



デバイスドライバ

[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図3-14(a)

ユーザ空間

カーネル空間

システムが起動すると……

• 各ドライバが開始され、メッセージを待つ

• メッセージを受け取ると、作業を開始し、返信する

• 各デバイスドライバのメインプログラムは同じ構造

PUBLIC void driver_task(dp) struct driver *dp; { int r, caller, proc_nr; message mess; …(中略)… while(TRUE) { receive(ANY, &mess); caller = mess.m_source; proc_nr = mess.PROC_NR; …(中略)… switch(mess.m_type) { case DEV_OPEN: r = (*dp->dr_open)(dp, &mess); break; case DEV_CLOSE: r = (*dp->dr_close)(dp, &mess); break; …(中略)… default: r = EINVAL; break; } …(中略)… mess.m_type = TASK_REPLAY; mess.REP_PROC_NR = proc_nr;

mess.REP_STATUS; send(caller, &mess); } }

struct driver { _PROTOTYPE( char *(*dr_name), (void) ); _PROTOTYPE( int (*dr_open), (struct driver *dp, message *m_ptr) ); _PROTOTYPE( int (*dr_close), (struct driver *dp, message *m_ptr) ); _PROTOTYPE( int (*dr_ioctl), (struct driver *dp, message *m_ptr) ); _PROTOTYPE( struct device *(*dr_prepare), (int device) ); _PROTOTYPE( int (*dr_schedule), (int proc_nr, struct iorequest_s) *request ); _PROTOTYPE( int (*dr_finish), (void)); _PROTOTYPE( void (*dr_cleanup), (void) ); _PROTOTYPE( void (*dr_geometry), (struct partition *entry) );

};

4. MINIXのメモリ管理について

• OSでメモリを管理する部分

• メモリマネージャ

• メモリのどの部分が使用中かを記録する

• プロセスにメモリを割り当てたり、解放する

メモリ管理の方法• スワッピング

• 各プロセスをメモリに読み込み、しばらくしたらディスクに返す

• 仮想メモリ

• プログラムの一部がメインメモリにあるとき、そのプログラムを実行できる。

スワッピングのイメージ[出典] A.S.Tanenbaum 『オペレーティング設計と理論およびMINIXによる実装』図4-3

OS

時間

A

OS

A

B

OS

A

B

C

OS

B

C

OS

B

C

D

仮想メモリとは？• メモリに入りきらないくらい大きいプログラムをどう実行したらいいのか？

• プログラムを分割して、一部をメインメモリに、残りをディスク上に保存すればいい

• 必要に応じて、プログラムの一部をディスクとメモリでスワップする

ページング• プログラムが指すメモリのアドレス

• 実は仮想のアドレスを指している

• メモリ管理マネージャが、仮想アドレスを実際の物理アドレスに対応づける

• この技法をページングという

物理メモリアドレス

仮想アドレス空間

216043XXX5X7XXXX

0K-4K4K-8K8K-12K12K-16K16K-20K20K-24K24K-28K28K-32K

0K-4K4K-8K8K-12K12K-16K16K-20K20K-24K24K-28K28K-32K32K-36K36K-40K40K-44K44K-48K48K-52K52K-56K56K-60K60K-64K

仮想ページ

ページフレーム


MINIXのメモリ管理• スワッピングもページングも使わない

• プロセス数が少ないことを想定しているから

• IBMのCPUが仮想メモリのサポートしてないから

• 移植性を高めるため

• ユーザ空間内で実行され、メッセージを使ってカーネルと通信する

少プロセス想定の理由

• MINIXは個人のパソコン向けのものだから

• ユーザが何人もアクセスするような大型なシステムで動かすわけじゃないし……

IBMのプロセッサ

• 80386, 80486, Pentiumでは、仮想メモリのサポートが行われているが……

• それ以前のIBM CPUにも対応させたい

• 色々なマシンとの互換性を保ちたい

移植性を高める

• 原始的な実装のほうが移植しやすい

• ハードウェアへ依存する部分を減らしたい

MINIXのメモリ管理• メモリが割り当てられるケース

• プロセスがFORKを行うとき、子プロセスに必要な分のメモリ量を割り当てる

• プロセスがEXECシステムコールによってそのメモリイメージを変更したとき、古いイメージを解放して新しく割り当てられる

MINIXのメモリのイメージ

MINIX

A

B

MINIX

A

B

Aの子プロセス

MINIX

A

B

C


上位メモリ限界

5. MINIXのファイルシステムについて• そもそもファイルシステムとは？

• ファイルはOSが管理する

• OSの、ファイルを扱う部分のこと

• ファイルシステム(一部)

• そもそもファイルとは？

• ディスクへの書き込みの種類

“ファイル”がうれしい理由

• 多くの情報を保存したい

• プロセスが終了しても、使っていた情報を失いたくない

• ==> ファイルという単位で情報を保存すればよい

ファイルの種類• 通常ファイル：バイト列で構成される

• ASCII, バイナリ

• ディレクトリ：ファイルシステムの構造を保持するもの

• キャラクタ型特殊ファイル: 　　　　　　　　　　シリアル入出力デバイスのモデル化に使用

• ブロック型特殊ファイル：ディスクのモデル化に使用

ASCIIファイルの構成

• ただのバイト列

• OSは、バイト列のみを扱う

• 何を書いても、どう名付けてもいい

• これについて、OSは口出ししない

1 byte

どうファイルを記録するか？

• == どうディスクに書き込むか？

• ベタッと全部

• ディスクのアドレスを使う

• iノードに関連づける

ベタッと全部• 1Kのブロックを持つデバイス上では、4KBのファイルには4連続のブロックが与えられる

• 簡単・読み込みが早い

• ファイルの最大サイズが分からないとダメ

ディスクのアドレスを使う• ディスクブロックの連結リストとしてファイルを保存する

• どこに書き込んでもいい

• ポインタのために数バイト必要

4 5 9

2 14

物理ブロック

ファイルブロック

0


1


2


3


4

ちなみに……• このポインタをメモリに置くのがMS-DOS式

• こうすると、ブロック全体をデータに割り当てることができる

• メモリの中にテーブルを置く

012 1434 55 96789 21011121314 015

start

物理ブロック

iノード

• ディスクアドレスはiノード自体に保存される

• ファイルを、iノードというテーブルに関連づける

• ファイルごとにiノードの番号が割り振られる

iノードと多重間接属性

iノード 1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

1KB

単一間接ブロック

二重間接ブロック

MINIXの iノード構造

モード(ファイルタイプとrwxビット)リンク数(このファイルのディレクトリエントリ)

uid(ファイル所有者のID)gid(所有者のグループ)

ファイルサイズ

ファイルサイズ(ファイルのバイト数)

アクセス時刻

更新時刻

状態更新時刻

ゾーン0

ゾーン1

ゾーン2

ゾーン3

ゾーン4

ゾーン5

ゾーン6

単一間接ゾーン

二重間接ゾーン

未使用(三重間接ゾーンに使う予定)

単一間接ゾーンは256個のブロックを指せるので、二重間接ゾーンだと 256 x 256 = 65536 [KB] = 64 [MB] までアクセスできる

まとめ

• いや、まとめようが……

• MINIXは安いマシンで動かすことを前提としたOS

• それがOSの実装に顕著に表れている

• メモリ管理, iノードのファイルの制限……

実際に使ってみましょう

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