M´aquinas Virtuales en arquitecturas de microkernel

Máquinas Virtuales
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Máquinas Virtuales en arquitecturas de microkernel
Amilcar Meneses Viveros & Hugo Garcı́a Monroy
Sección Computación
Departamento de Ingenierı́a Eléctrica
CINVESTAV-IPN México, D.F.
Departamento de Aplicación de Microcomputadoras
Instituto de Ciencias
Universidad Autónoma de Puebla.
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Resumen
Antecedentes y motivación.
Definición de Máquina Virtual.
Sistemas Operativos con arquitectura microkernel
Ejemplo: Dos como MV sobre el microkernel Mach ejecutándose en
NeXTSTEP/OpenStep.
• Mach, NeXTSTEP/OpenStep y DOS.
• El modo virtual en la familia de procesadores 80x86
• Diseño e implantacion de DOS como máquina virtual sobre
Mach.
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Antecedentes y Motivación
Existen una gran variedad de sistemas operativos, cada uno tiene ventajas
y desventajas (Linux, Windows, BSD, OS/2, Mac OSX, Solaris, AIX,
NeXTSTEP...). .
Es deseable para los usuarios tener acceso a la tecnologı́a
multiplataformas: ejecutar varios sistemas operativos concurrentemente
en la misma computadora y cambiar de uno a otro sin necesidad de
reiniciar la máquina
Manejo de programas o recursos que no están disponibles en un
sistema operativo
Ejecutar concurrentemente un mismo sistema operativo (VM Servers)
Pruebas de software
Seguridad
Para presumir...
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Antecedentes y Motivación
Ejemplos de sistemas con plataformas cruzadas:
Coherent Virtual Machine, Maryland University (emulador).
Virtual PC, de Connectix (emulador, simulador).
Blue Box - Mac OS X, DP2, Apple Inc (emulador).
SimOS, Universidad de Standford (simulador)
VMApp, Departamento de Aplicación de Microcomputadoras-ICUAP
(emulador).
VMware, de VMware (emulador).
Stella, Bradford W. Mott (simuladorde Atari 2600)
MAME, Nicola Salmoria, (simulador de máquinas arcade)
¿JVM, IVM, .NET? (simulador, intérprete)
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Máquina Virtual
Definición 1: “Una máquina que es capaz de realizar una operación,
aunque no la produzca”.
Definición 2: “Un sistema de software que ofrece una copia exacta del
hardware sobre el cual, la MV, se está ejecutando”.
Definición 3: “Un duplicado de hardware y software del sistema de
computación real en el cual un subconjunto de instrucciones del
procesador se ejecuta sobre el procesador anfitrión en modo nativo”.
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Máquina Virtual
Podemos considerar la primera máquina virtual al sistema VM/370 de
IBM.
Programa
Programa
Programa
VM/370
VM/370
VM/370
Manejador de sesiones VM/370
Hardware de IBM 370
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Máquina Virtual
Configuración:
1.
Un S.O. anfitrión, trabajando con varios S.O. huéspedes
2.
Un servidor de S.O. trabajando con varios huéspedes
El S.O. anfitrión o el servidor de S.O., debe monitorear al S.O. huésped
(MV). Cuando la MV trate de ejecutar una instrucción privilegiada
(interrupciones, manejo de alguún dispositivo de entrada o salida, ...).
¡¡Recuerde!!: la MV ejecutará un conjunto de instrucciones de manera
nativa (las instrucciones que no generan conflictos con las demás
máquinas virtuales).
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Máquina Virtual
Monitor de Máquina Virtual (MMV):
La parte principal de una máquina virtual lo constituye el monitor de máquina
virtual, que es la capa que se encarga de manejar los recursos del sistema,
exportándolos a la MV.
Figura 1: Capa MMV
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Máquina Virtual
Figura 2: Funcionamiento y módulos de un MMV
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Máquina Virtual
Figura 3: Tipos de MV
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Máquina Virtual
Ejecución de instrucciones privilegiadas
Reemplazar el código por instrucciones no privilegiadas para emular los
efectos que la instruccion privilegiada ocasiona.
Detectar la ejecución de la instrucción privilegiada y emular/simular la
instrucción en turno.
Las instrucciones de entrada y salida deben darse por los servicios del S.O.:
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Sistemas Operativos con arquitectura de microkernel
Los sistemas operativos tradicionales (monolı́ticos) pueden dividirse en
uno o más servidores de Sistema Operativo a nivel de usuario y un
microkernel.
Los servidores proporcionan la funcionalidad tradicional de los sistemas
operativos —el manejo de archivos, procesos y trabajo en redes—.
El microkernel proporciona un pequeño número de servicios
fundamentales —el manejo de memoria virtual, comunicación entre
procesos y manejo de tareas-hilos—.
Tipos de microkernel: Mach (darwin), Chorus, V Kernel y Spring.
S.O a partir de microkernel: Debian, NeXTSTEP/OpenStep, Mac OS X, y
OS/F2.
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Sistemas Operativos con arquitectura de Microkernel
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DOS como MV sobre el microkernel de Mach,
ejecutándose concurrentemente con
NeXTSTEP/OpenStep
Se ejecutan en arquitecturas Intel i386.
NeXTSTEP/OpenStep está implantado sobre Mach.
Los procedores de Intel, a partir del 386 incorporan el modo de
ejecución virtual.
NeXTSTEP/OpenStep es el S.O anfitrión, DOS es el huésped.
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DOS como MV...
Microkernel Mach
Desarrollado en CMU, por el grupo encabezado por Richard Rashid.
Versiones para Motorola 68040, SPARC, Intel i386, y PowerPC.
Se encarga de manejar procesos, comunicación entre procesos y memoria
virtual.
Intérprete de UNIX (BSD 4.2)
Abstracciones de Mach: tareas, hilos, puertos, mensajes y objetos de de
memoria.
Proceso UNIX = traea + hilo
La memoria virtual setá diseñada para uniprocesadores o para manejo de
memoria compartida en arquitecturas paralelas. La memoria virtual asigna
4MB de memoria a cada tarea mach.
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DOS como MV...
El kernel se encarga de manejar las excepciones. El manejo lo puede
hacer el propio kernel o delegar esta responsabilidad al un proceso
del usuario.
• Acceso ilegal (errores de bus, violaciones de protección y
segmentación).
• Errores aritméticos (sobreflujo, división por cero, etc.).
• Instrucciones del hardware destinadas para el soporte de
facilidades como emulación, depuración y detección de errores.
Proporciona un conjunto de llamados al sistema, para manejo de de
los hilos a través de los registros propios de cada arquitectura.
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DOS como MV...
NeXTSTEP/OpenStep NeXTSTEP/OpenStep es un ambiente de desarrollo
orientado a objetos que corre sobre el micronkernel de Mach.
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DOS como MV...
DOS Se ejecuta en arquitecturas “clones” del IBM-PC, basado en el 8088.
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DOS como MV...
DOS El sistema DOS es monólitico, y se almacena en el primer megabyte de
memoria.
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DOS como MV...
La familia de procesadores de Intel 80x86
Procesador de 32 bits.
Manejo de memoria virtual (64 terabytes)
Manejo de multiprocesos
Sistema de protecciones: jerarquia de cuatro niveles de preferencia: 0: kernel,
1: servicios del sistema, 2:extensiones al SO, 3: aplicaciones del usuario.
Tres modos de ejecucion: protegido, real, virtual.
Modo virtual: se ejecuta una tarea (del modo protegido y llamada tarea
virtual) como si fuera el 8086.
Detección de ejecución de instrucciones especiales a nivel hardware cuando
se ejecuta un proceso en modo virtual.
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DOS como MV...
Instrucciones que generan excepciones en modo virtual Cuando un
microprocesador está corriendo en modo virtual 8086, existen
instrucciones que son sensitivas al IOPL.
CLI, STI, PUSH, POPF, INT n, IRET, IN, OUT, INS, y OUTS
Estas instrucciones son sensitivas a el IOLP para dar oportunidad al
monitor virtual 8086 de emular su ejecución.
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DOS como MV...
Una tarea se ejecuta en modo virtual cuando se enciende la bandera V M
del registro de banderas.
Figura 4: Entrando y saliendo del modo virtual
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DOS como MV...
La organización de DOS como aplicación de NeXTSTEP
Generar una tarea que sirva como monitor de DOS.
Utilizar el modo virtual de ejecución del procesador (Intel): crear un hilo
mach que se ejecute en modo virtual 8086.
Crear la máquina DOS en el primer megabyte de una tarea Mach.
Asignarle un MMV (encargado del manejo de excepciones).
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DOS como MV...
Diseño de la implantación de la MV DOS en Mach.
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DOS como MV...
Diseño de la implantación de la MV DOS en Mach-NeXTSTEP como
aplicación multihilos.
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DOS como MV...
Vista de la aplicación VM.app.
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Resultados, conclusiones y trabajo furturo
Dispositivo
Simulador
Emulador
Emulador con
Mach-NeXTSTEP
CPU
Proceso
CPU
CPU en MV8086
Arq. trap
Señales
Señales
Manejo de
excepciones
Inst. privilegiadas
Simulación
Sim. o ejec.
Simulación
directa
E/S
Arch. especiales
Arch. especiales
Arch. especiales
Objetos
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Trabajo a futuro
Ampliar la simulacion de dispositivos de E/S.
Ampliar el trabajo para la ejecución de Windows... aunque
Exportar el trabajo a otras plataformas con tecnologia de microkernel
Mach: Rhapsody, GNUStep y Debian.
Generar un MMV general para ejecutar NeXTSTEP/OpenStep en
Debian.
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