Jahresbericht informatik 2009 - KIT – Fakultät für Informatik

Forschungsbereich
Systemarchitektur
Hardware/OS-Codesign
Institut für Betriebs- und Dialogsysteme
Institut für Betriebs- und Dialogsysteme
Leiter: Prof. Dr. F. Bellosa
Sekretärin: A. Engelhart
Akadem. Mitarbeiter: S. Kellner (F), P. Kupferschmied (F),
G. Liefländer (bis 31.12.2009), Dr. A. Merkel,
R. Neider, Dr. J. Stöß
Programmierer: J. McCuller, H. Zoller
Techn. Mitarbeiter: R. Dosch
Stipendiat: K. J. Miller (ab 01.07.2009)
(R. Neider)
Die Implementierung von Betriebssystemen besteht unter anderem darin, eine Menge von
vorab entworfenen Betriebssystemdiensten (z. B. nebenläufige Aktivitäten pro Prozessor
oder virtueller Speicher) unter Verwendung der Hardware-Schnittstelle der Zielplattform
möglichst effizient umzusetzen. In vielen Fällen ist die angebotene Hardware-Schnittstelle
jedoch nicht ausreichend mächtig, um die Anforderungen effizient und exakt umsetzen zu
können: Soll z. B. virtueller Speicher mit least frequently used als Seitenersetzungsstrategie
angeboten werden, sind Zugriffszähler pro Speicherseite nötig - die meisten
Hardwareplattformen bieten jedoch nur ein referenced Bit (1-Bit Zähler) pro Seite an. In
solchen Fällen implementieren heutige Betriebssysteme Approximationen des gewünschten
Verhaltens - was die Komplexität der Betriebssystemalgorithmen erhöht und die
Leistungsfähigkeit einschränkt (z. B. weil periodisch alle referenzierten Seiten aufwändig
in Software ermittelt werden müssen). Da die Hardware nicht angepasst werden kann, ist
der direkte Vergleich der gewünschten Implementierung mit der Approximation nicht möglich,
ihr Overhead also kaum abschätzbar.
Die am Lehrstuhl entwickelte OpenProcessor-Plattform ermöglicht es jetzt unter
Verwendung (re)konfigurierbarer Hardware, diese Probleme zu lösen, indem die Hardware-
Schnittstelle anpassbar wird. Die Plattform besteht aus einem System-on-Chip (SoC), das
einen RISC-Prozessor über ein Bussystem mit diversen Kontrollmodulen für Ein-
/Ausgabegeräte (RS-232, Ethernet, LCD), DDR SDRAM, Flash und FeRAM verbindet.
Das gesamte System ist in Verilog implementiert und kann für eine FPGA-
Entwicklungsplatine als Test- und Demonstrationsplattform synthetisiert werden. Sowohl
der Prozessor-Befehlssatz als auch Verhalten, Art und Anzahl der Kontrollmodule und die
Art des Verbindungsnetzwerks können dabei (offline) angepasst werden.
Für die OpenProcessor-Plattform existiert ein mikrokernbasiertes Multiserver-
Betriebssystem, mit dessen Hilfe sinnvolle Modifikationen an der Hardware-Basis analysiert
und evaluiert werden können. Abgeschlossene Arbeiten haben in Echtzeit
Speicherzugriffsstatistiken ermittelt und somit least frequently used Seitenersetzung mit
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