Vorbereitung 26.5.2025

20250519/bs-20250519.tex

@@ -20,7 +20,7 @@
 % Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
 % document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
 
-% README: Speicherverwaltung
+% README: Speicherverwaltung: Speicherschutz
 
 \documentclass[10pt,t]{beamer}
 
@@ -122,12 +122,14 @@
     \medskip
     \item
       Verbindung zum Betriebssystemkern\only<1->{: System Call}
-%      \pause[5]\smallskip\par
+%      \pause[5]%
+      \smallskip\par
       Das Betriebssystem hat mehr Rechte als die Anwendung,\\
       daher darf die Anwendung Funktionen des Betriebssystems\\
       nur auf sehr kontrollierte Weise aufrufen.
       \smallskip\par
-      \textarrow\ Hardware-Unterstützung\\
+      \textarrow\ Hardware-Unterstützung
+      \smallskip\par
       Beispiel: x64-Befehlsarchitektur: \lstinline{syscall}
   \end{itemize}
 \end{frame}
@@ -144,7 +146,9 @@
     \medskip
     \item
       "`Ausgang"'\\[2pt]
-      Wo ruft der Kernel die Callback-Funktionen der Treibermodule auf?
+      Wo ruft der Kernel die Callback-Funktionen der Treibermodule auf?\\[\smallskipamount]
+      \lstinline{ksys_write()}\\
+      \lstinline{vfs_write()}
     \medskip
     \item
       "`Weg durch den Kernel"'\\[2pt]

20250526/bs-20250526.tex

+% bs-20250526.pdf - Lecture Slides on Operating Systems
+% Copyright (C) 2014-2024, 2025  Peter Gerwinski
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+
+% README: Speicherverwaltung: virtueller Speicher
+
+\documentclass[10pt,t]{beamer}
+
+\usepackage{pgslides}
+\usepackage{tikz}
+
+\title{Treiberentwicklung,\\[\medskipamount]Echtzeit- und Betriebssysteme}
+\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
+\date{26.\ Mai 2025}
+
+\begin{document}
+
+\maketitleframe
+
+\sectionnonumber{Treiberentwicklung, Echtzeit- und Betriebssysteme}
+
+\begin{frame}
+
+  \showsectionnonumber
+
+  \begin{itemize}
+    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
+    \item[\textbf{2}] \textbf{Unix}
+    \item[\textbf{3}] \textbf{Treiberentwicklung}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Speicherverwaltung}
+      \begin{itemize}
+        \color{medgreen}
+        \item[4.1] Mikrocontroller
+        \item[4.2] Speichersegmentierung
+        \item[4.3] Speicherschutz (\emph{Protected Mode\/})
+        \item[4.4] Virtueller Speicher
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Dateisysteme}
+    \vspace{-\smallskipamount}
+    \item[\textbf{\dots}]
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\setcounter{section}{3}
+\section{Speicherverwaltung}
+\subsection{Microcontroller}
+
+\begin{frame}
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Speicherverwaltung "`einfach so"'
+  \begin{itemize}
+    \item
+      PC erzeugt Speicher-Layout (z.\,B.\ Intel-\file{.hex}-Datei)
+    \item
+      Darin enthalten: Programm, Interrupt-Vektoren, \dots
+    \item
+      Aufspielen in den Flash-Speicher
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Speichersegmentierung}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Intel 8086: Segment- und Offset-Adresse
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Beispiel: Speicherzelle \lstinline{28F5:0100}:
+      für das aktuelle Programm vorgesehen\\[0.7cm]
+      \begin{picture}(0,0)
+        \put(3.8,0.5){\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(0.2,0.5);}}}
+        \put(4.0,0.4){\makebox(0,0)[tr]{Segment}}
+        \put(5.2,0.5){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.2,0.5);}}}
+        \put(5.0,0.4){\makebox(0,0)[tl]{Offset}}
+      \end{picture}
+    \item
+      Speicherzelle \lstinline{B800:0000}: Bildschirmspeicher (Textmodus)
+    \item
+      physikalische Adresse = $\text{\lstinline{0x10}}
+        \cdot \text{Segment} + \text{Offset}$, hier also: \lstinline{B8000}
+    \item
+      Speicher insgesamt: 5 Hex-Ziffern = 20 Bit für Speicher-Adressierung\\
+      \textarrow\ maximal 1\,MiB adressierbar
+    \item
+      "`Speicherschutz"': Das Betriebssystem weist jedem Programm
+      ein Segment zu (hier z.\,B.: \lstinline{28F5}).
+      Außerhalb davon \textcolor{bored}{sollte} man nicht schreiben.
+      \par\smallskip
+      (\textarrow\ effiziente Bildschirmausgabe: direkt in Segment \lstinline{B800} schreiben)
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Speicherschutz (\emph{Protected Mode\/})}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Intel 80286: Selektoren
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Beispiel: Speicherzelle \lstinline{0007:0100}:
+      für das aktuelle Programm vorgesehen\\[0.7cm]
+      \begin{picture}(0,0)
+        \put(3.8,0.5){\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(0.2,0.5);}}}
+        \put(4.0,0.4){\makebox(0,0)[tr]{Selektor}}
+        \put(5.2,0.5){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.2,0.5);}}}
+        \put(5.0,0.4){\makebox(0,0)[tl]{Offset}}
+      \end{picture}
+    \item
+      Selektor = Index für ein Array innerhalb des Prozessors:
+      \newterm{Deskriptorentabelle}
+      \par\smallskip
+      Segment-Deskriptor:
+      \begin{itemize}
+        \item
+          physikalische Adresse (z.\,B.: \lstinline{28F5}) des Segments
+        \item
+          Länge des Segments (maximal 64\,kiB)
+        \item
+          Zugriffsrechte: Lesen, Schreiben, Ausführen
+      \end{itemize}
+      \textarrow\ Programme gegeneinander absichern (mit Hardware-Unterstützung)
+    \item
+      In der Praxis (MS-DOS): \emph{kein\/} Speicherschutz, sondern:\\
+      Jedes Programm verwaltet die Deskriptorentabelle selbst.
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Intel 80386: 32-Bit-Offsets
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Beispiel: Speicherzelle \lstinline{0007:00000100}\\[0.7cm]
+      \begin{picture}(0,0)
+        \put(3.8,0.5){\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(0.2,0.5);}}}
+        \put(4.0,0.4){\makebox(0,0)[tr]{Selektor}}
+        \put(5.2,0.5){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.2,0.5);}}}
+        \put(5.0,0.4){\makebox(0,0)[tl]{Offset}}
+      \end{picture}
+    \item
+      Selektor = Index für ein Array innerhalb des Prozessors:
+      \newterm{Deskriptorentabelle}
+      \par\smallskip
+      Segment-Deskriptor:
+      \begin{itemize}
+        \item
+          physikalische Adresse (z.\,B.: \lstinline{28F5}) des Segments
+        \item
+          Länge des Segments (maximal 4\,GiB)
+        \item
+          Zugriffsrechte: Lesen, Schreiben, Ausführen
+      \end{itemize}
+      \textarrow\ Programme gegeneinander absichern (mit Hardware-Unterstützung)
+    \item
+      MS-DOS und MS-Windows bis Version ME: \emph{kein\/} Speicherschutz, sondern:\\
+      Jedes Programm verwaltet die Deskriptorentabelle selbst.
+    \item
+      MS-Windows ab Version NT, OS/2, MacOS, Linux und andere Unixe:\\
+      Speicherschutz mit Hardware-Unterstützung
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Speicherschutz mit Hardware-Unterstützung
+  \begin{itemize}
+    \item
+      spezielle Variable ("`Register"') im Prozessor:\\
+      Berechtigungsstufe des aktuell laufenden Programms
+    \item
+      Benutzerprogramme dürfen Befehle zur Manipulation der Deskriptorentabelle
+      nicht ausführen. Dies darf nur der Betriebssystemkern.
+    \item
+      Speicherzugriffe außerhalb des zugewiesenen Segments
+      lösen eine \newterm{Exception\/} aus (ähnlich Interrupt).
+      Das Betriebssystem kann daraufhin das Programm kontrolliert
+      beenden ("`Speicherzugriffsfehler"').
+    \item
+      Das Betriebssystem kann Code als "`nicht ausführbar"' markieren.\\
+      Versuche, ihn auszuführen, lösen eine Exception aus.
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Speicherschutz mit Hardware-Unterstützung
+  \par\smallskip
+  Beispiel: Puffer-Überlauf
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Die Rücksprung-Adresse (auf dem Stack)\\
+      wird durch eine Variable (auf dem Stack) überschrieben
+    \arrowitem
+      Gezielter Sprung in die Variable hinein ist möglich.\\
+      offene Sicherheitslücke in alten Versionen von MS-Windows
+    \item
+      Lösung: Stack als "`nicht ausführbar"' markieren
+    \pause
+    \arrowitem
+      \color{gray}Weiterhin möglich: \emph{return-oriented programming}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Virtueller Speicher}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsection
+  \showsubsection
+  Hardware-Untersützung durch \newterm{Memory Management Unit (MMU)}
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Unterteilung des Speichers in \newterm{Seiten\/}
+      (typischerweise: 4\,kiB)
+    \item
+      Zeiger: Zugriff auf \newterm{virtuellen Speicher}
+    \item
+      Tabelle innerhalb der MMU: Zuordnung der Seiten\\
+      zu physikalischem oder nicht zugeordnetem Speicher
+    \item
+      Anwendung: ausgelagerter Speicher, bei Zugriff: Exception\\
+      Betriebssystem kann ausgelagerte Seite bereitstellen
+    \pause
+    \item
+      Weitere Anwendungen:
+        \begin{itemize}
+          \item
+            \newterm{Shared Memory}
+          \item
+            Datei in Speicher abbilden
+          \item
+            kontrollierter Direktzugriff auf Speicher
+        \end{itemize}
+    \pause
+    \item
+      Hardware-Fehler können zu Sicherheitslücken führen,\\
+      z.\,B.\ \newterm{Meltdown\/} (2017)
+    \pause
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\end{document}

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README.md

@@ -23,7 +23,8 @@ Vortragsfolien und Beispiele:
  * [28.04.2025: Gerätedateien, Einführung Treiberentwicklung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250428/bs-20250428.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250428/)
  * [05.05.2025: Linux-Kernel-Module, Systembibliothek](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250505/bs-20250505.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250505/)
  * [12.05.2025: Systembibliothek, Kernel](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250512/bs-20250512.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250512/)
- * [19.05.2025: Speicherverwaltung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250519/bs-20250519.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250519/)
+ * [19.05.2025: Speicherverwaltung: Speicherschutz](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250519/bs-20250519.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250519/)
+ * [26.05.2025: Speicherverwaltung: virtueller Speicher](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/20250526/bs-20250526.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/tree/2025ss/20250526/)
  * [alle in 1 Datei](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/bs/raw/2025ss/bs-slides-2025ss.pdf)
 
 Notizen:

bs-slides-2025ss.tex

@@ -22,6 +22,8 @@
   \includepdf[pages=-]{20250505/bs-20250505.pdf}
   \pdfbookmark[1]{12.05.2025: Systembibliothek, Kernel}{20250512}
   \includepdf[pages=-]{20250512/bs-20250512.pdf}
-  \pdfbookmark[1]{19.05.2025: Speicherverwaltung}{20250519}
+  \pdfbookmark[1]{19.05.2025: Speicherverwaltung: Speicherschutz}{20250519}
   \includepdf[pages=-]{20250519/bs-20250519.pdf}
+  \pdfbookmark[1]{26.05.2025: Speicherverwaltung: virtueller Speicher}{20250526}
+  \includepdf[pages=-]{20250526/bs-20250526.pdf}
 \end{document}

projekte.txt

@@ -77,6 +77,7 @@ Weitere Projekt-Ideen: Mit freier Software ...
     - xdotool
     - setxkbmap
     - Fenster reagiert auf Tastatur- und Maus-Ereignisse auch im Hintergrund
+    - Fenster mit Tastenkombinationen anordnen (z.B. Alt+Shift+L für "nach ganz links")
     - ...
 
  * Signal für spezielle Anwendungsfälle konfigurieren