Microsoft will die Revolution des OS für Mehrkern-CPUs

Kernel-Mode und User-Mode sollen abgeschafft werden

Dave Probert, Kernel-Entwickler bei Microsoft, will die seit Jahrzehnten eingebaute Bremse der meisten PC-Betriebssysteme lösen: Um Prozessoren mit mehreren Kernen richtig nutzen zu können, soll das OS weniger Aufgaben bei der Verwaltung des Speichers übernehmen.

Artikel veröffentlicht am 22. März 2010, 12:09 Uhr, Nico Ernst

Am Forschungszentrum für Parallel Computing der Universität von Illinois hielt Probert in der vergangenen Woche einen Vortrag vor Studenten. Einem Bericht von Networkworld zufolge forderte er darin, eine der grundsätzlichen Designentscheidungen für Betriebssysteme, die in den 1990er Jahren gefällt worden war, neu zu überdenken.

Um Multitasking von Anwendungen und Teilen des Betriebssystems zu ermöglichen, war damals zwischen dem User-Mode und dem Kernel-Mode für die Speicherverwaltung unterschieden worden. Im Kernel-Mode laufen nur die wichtigsten Funktionen des OS und auch Treiber, im User-Mode alle anderen Teile des Betriebssystems und Anwendungen.

Dafür wurde unter anderem die Speicherverwaltung abstrahiert, der Prozessor muss sich um die Umsetzung von virtuellen in physikalische Adressen kümmern. Das ist gerade mit immer mehr Kernen in modernen CPUs eine zeitraubende Angelegenheit. Zudem war diese Aufteilung der Speicherbereiche und Funktionen des Prozessors - die x86-CPUs sogar noch feiner beherrschen, als es derzeit genutzt wird - auch fehleranfällig. Die "Allgemeine Schutzverletzung" vor allem früherer Windows-Versionen zeugt davon.

Keine Bremse durch viele Kerne mehr

Mit dem User- und Kernel-Mode ging auch ursprünglich die Einteilung in Zeitscheiben einher: Das Betriebssystem teilt sich selbst und den Anwendungen Rechenzeit zu, so dass sich vor allem leistungshungrige Programme nie genau darauf verlassen können, wie viel Rechenleistung ihnen zur Verfügung steht. Zwar beherrschen moderne Betriebssysteme das inzwischen viel besser, Windows Vista zum Beispiel ist aber mit besonders vielen Kernen bereits überfordert.

In der Folge mussten Microsoft und Intel für Windows 7 mit dem "SMT Parking" sogar einen Kniff anwenden, damit das Hyperthreading der Intel-CPUs nicht bremst. Mit SMT Parking. werden die Threads immer erst auf die physikalischen Kerne verteilt und dann auf die virtuellen. Wenn doch einmal ein Thread zu einem anderen Kern wechselt, ist die Chance damit kleiner, dass er bereits einen ausgelasteten Kern erwischt, dessen Aufgaben dann neu verteilt werden müssten.

Das Betriebssystem als Hypervisor

Die Kontrolle des Betriebssystems über die Hardware bleibt dabei aber immer noch bestehen, auch wenn die Anwendungen das vielleicht besser beherrschen könnten, meint Dave Probert. Er schlägt deshalb vor, User- und Kernel-Mode ganz abzuschaffen. Die Programme sollten sich dann um die Verwaltung der Ressourcen kümmern. Das Betriebssystem sollte wie ein Hypervisor in virtualisierten Umgebungen agieren und den Programmen beispielsweise Kerne und Speicher fest zuteilen.

Die Anwendungen müssten sich dazu laut Probert direkt absprechen, um sich die Ressourcen sinnvoll zu teilen. Die Prozessoren könnten dann "wieder Prozessoren werden", so Probert, und nicht mehr nur auf Anweisungen des Betriebssystems warten. Der Kernel-Architekt sagte: "Warum sollte man mit so viel parallelisierter Hardware je wieder auf seinen Computer warten müssen?"

Der Entwickler stellte dem Bericht zufolge auch klar, dass sich seine Überlegungen auf Forschungsarbeiten beziehen und nicht von allen Mitgliedern des Kernel-Teams von Windows geteilt werden. In der nächsten Version von Windows ist mit einem vereinheitlichten Speichermodell also wohl noch nicht zu rechnen.