1. The Microkernel Mach
in NeXTSTEP
Gregor Schmidt
2006-06-29
Gregor Schmidt
1
Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

2. Overview
 Introduction
 The road to NeXTSTEP
 The NeXT computers
 The NeXTSTEP operating system
 The Mach Microkernel
 Interprocess Communication by example
 The next steps
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

3. Overview
 Introduction
 The NeXTSTEP operating system
 The Mach Microkernel
 The next steps
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

4. The Road to NeXTStep
 1986 - NeXT computers, Inc. was founded by
Steve Jobs and
 colleagues from Apple
- Rich Page
- George Crow
- Bud Tribble
- Dan‘L Lewin
- Susan Barnes
 and
- Randy Heffner
- Gary H. Moore
 1988 - The first computer was presented
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

5. The NeXT computers
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

6. The NeXT computers
 based on Motorola 680x0
 2 basic models
 NeXTcube (1989)
 NeXTstation (1990)
Gregor Schmidt
5
Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

7. The NeXT computers
 based on Motorola 680x0
 2 basic models
 NeXTcube (1989)
 NeXTstation (1990)
- 25 MHz resp. 33 MHz
- 8 MB RAM (up to 32 MB)
- 105 MB SCSI HDD
- Floppy Disc Drive
- 10Base-T and 10Base-2 Ethernet
- Monochrome Display
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

8. The NeXT computers
 based on Motorola 680x0
 2 basic models
 NeXTcube (1989)
 NeXTstation (1990)
- 25 MHz resp. 33 MHz
- 8 MB RAM (up to 32 MB)
- 105 MB SCSI HDD
- Floppy Disc Drive
- 10Base-T and 10Base-2 Ethernet
$ 4.995,-
- Monochrome Display
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5
Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

9. The NeXT computers
 based on Motorola 680x0
 2 basic models
 NeXTcube (1989)
 NeXTstation (1990)
- 25 MHz resp. 33 MHz
- 8 MB RAM (up to 32 MB)
- 105 MB SCSI HDD
- Floppy Disc Drive
- 10Base-T and 10Base-2 Ethernet
$ 4.995,-
- Monochrome Display
 All later versions of NeXTSTEP operating
systems run on these machines
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

10. Overview
 Introduction
 The NeXTSTEP operating system
 The Mach Microkernel
 The next steps
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

11. The NeXTStep Operating System
Main Features
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

12. The NeXTStep Operating System
Main Features
 Mach Kernel
 BSD4.3 user space server
 NeXTSTEP user interface
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13. The NeXTStep Operating System
Main Features
 Mach Kernel
 BSD4.3 user space server
 NeXTSTEP user interface
 Display Postscript
 Object-oriented application framework
 Objective C as standard programming language
 Extraordinary OO-development tools
 High integration of all native applications
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14. The NeXTSTEP Operating System
Demo - By Steve Jobs
 Product Demonstration of NeXTSTEP Release 3.0
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15. Overview
 Introduction
 The NeXTSTEP operating system
 The Mach Microkernel
 The next steps
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

16. The Mach Microkernel
History
 1985 - 1994 - developed at Carnegie-Mellon university
 Microkernel
 Deployed in several systems
 NeXTSTEP / OPENSTEP - Rhapsody - Mac OS X
 GNU/Hurd
 MkLinux
 Tru64 (OSF/1)
 NeXTSTEP uses Mach 2.5
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

17. The Mach Microkernel
Microkernel
 Little features - great reliability
 Only the main features run in privileged mode
 Process management
- Scheduling
 Synchronization and communication
 Device drivers and all other services run as user services
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

18. The Mach Microkernel
Microkernel
 Little features - great reliability
 Only the main features run in privileged mode
 Process management
- Scheduling
 Synchronization and communication
 Device drivers and all other services run as user services
 small interface
 little trusted computing base
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19. The Mach Microkernel
Microkernel
 Little features - great reliability
 Only the main features run in privileged mode
 Process management
- Scheduling
 Synchronization and communication
 Device drivers and all other services run as user services
 lots of communication
 small interface overhead
 little trusted computing base  lots of synchronization
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20. The Mach Microkernel
Main Features
 Preemptive Multitasking
 Multithreading, Multiprocessing
 Memory protection, virtual memory
 Interprocess communication via mach messages
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21. The Mach Microkernel
Interprocess Communication
 Transparent network support
 Typed messages
 including type conversion between different languages
 Integrated with virtual memory
 local messages are not copied
 but mapped into receiver‘s address space
 Remote messages are send lazily
 Port Rights Management
 Ownership
 Receive
 Send
 Port names - unique Integer
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22. The Mach Microkernel
How to find Ports in NeXTStep
 Environment Manager
 for local use only
 Network Message Server
 enables network-wide communication
 Service Server
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23. Anhand eines Klient/Server-Beispiels wollen wir die Möglichkeiten und Werkzeuge
die Mach bietet, erläutern. Die beiden Komponenten unserer verteilten Anwendung
heißen packets_client und packets_server. Der Klient kann Nachrichten mit
The Mach Microkernelan den Server schicken. Er ruft dazu eine Routine send_pa-
einem Integer-Wert
cket() auf. Der Server druckt für jeden empfangenen Wert eine Notiz aus. Sendet
How to man sehr vielein NeXTStep
find Ports Nachrichten hintereinander oder senden viele Klienten auf einmal an
einen Server, so kann eine Überflutung von Puffern oder des Netzwerkes autreten. Zum
Aufspüren derartiger Fälle ist unsere Anwendung geeignet — wenn man Klient und
 Environment Server noch ein wenig erweitert.
Manager
 for local use only Klient und Server kommunizieren können, stellt sich nun die Frage, wie beide
Bevor
voneinander erfahren. Sie kommunizieren dazu mit einem Namensdienst. Bild 1 zeigt
 Network Message Server
die Initialisierungsschritte, die vor der ersten Klient/Server-Interaktion nötig sind.
 enables network-wide communication
 Service Server netname_look_up()
2 netmsgserver
packets_client 3
4 netname_check_in()
1
send_packet()
packets_server
Bild 1: Der Mach-Namensdienst
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

24. Anhand eines Klient/Server-Beispiels wollen wir die Möglichkeiten und Werkzeuge
die Mach bietet, erläutern. Die beiden Komponenten unserer verteilten Anwendung
heißen packets_client und packets_server. Der Klient kann Nachrichten mit
The Mach Microkernelan den Server schicken. Er ruft dazu eine Routine send_pa-
einem Integer-Wert
cket() auf. Der Server druckt für jeden empfangenen Wert eine Notiz aus. Sendet
How to man sehr vielein NeXTStep
find Ports Nachrichten hintereinander oder senden viele Klienten auf einmal an
einen Server, so kann eine Überflutung von Puffern oder des Netzwerkes autreten. Zum
Aufspüren derartiger Fälle ist unsere Anwendung geeignet — wenn man Klient und
 Environment Server noch ein wenig erweitert.
Manager
 for local use only Klient und Server kommunizieren können, stellt sich nun die Frage, wie beide
Bevor
voneinander erfahren. Sie kommunizieren dazu mit einem Namensdienst. Bild 1 zeigt
 Network Message Server
die Initialisierungsschritte, die vor der ersten Klient/Server-Interaktion nötig sind.
 enables network-wide communication
 Service Server netname_look_up()
2 netmsgserver
packets_client 3
4 netname_check_in()
1
send_packet()
packets_server
 in Mac OS X: Bootstrap Server Bild 1: Der Mach-Namensdienst
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25. The Mach Microkernel
Message Sending the Easy Way
 Mach Interface Generator
 Corba-like Stub-and-Skeleton-Generator
Gregor Schmidt
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

26. generiert, während auf der Server-Seite ein message passing interface zu d
Funktionen entsteht, die die Server-Funktionalität implementieren. Der Program
hat mit dem Erzeugen von Mach-Nachrichten-Strukturen, dem Eintragen von Ty
Längeninformation und der Zuordnung verschiedener Typen von Nachrichten z
The Mach Microkernel
schiedenen Funktionen auf der Server-Seite nichts zu tun. In Bild 4 zeigen wir d
MIG generierten Dateien in ihrer Beziehung zu ‘‘von Hand’’ codierten
Message Sending grammstücken. Way
the Easy
 Mach Interface Generator packets.defs
 Corba-like Stub-and-Skeleton-Generator
mig
generate generate
packets.h
include include
packets_client.c packetsUser.c
packetsServer.c packets_server_main.c
link link
packets_server
packets_client
Gregor Schmidt
Bild 4: Generieren von Klient und Systems -aus einer MIGMach 15
Server The Microkernel Spezifikation
Origins of Operating
In Bild 4 bezeichnen Ellipsen jeweils ausführbare Programme. Zentral is
/usr/bin/mig, der Mach Interface Generator (MIG). Namen in Kästchen beze
Dateien mit C-Quelltext oder MIG-Spezifikationen. Die in Bild 4 fett gedr
Dateinamen deuten auf Programmstücke, die der Programmierer zu erstellen hat, de

27. generiert, während auf der Server-Seite ein message passing interface zu d
Funktionen entsteht, die die Server-Funktionalität implementieren. Der Program
hat mit dem Erzeugen von Mach-Nachrichten-Strukturen, dem Eintragen von Ty
Längeninformation und der Zuordnung verschiedener Typen von Nachrichten z
The Mach Microkernel
schiedenen Funktionen auf der Server-Seite nichts zu tun. In Bild 4 zeigen wir d
MIG generierten Dateien in ihrer Beziehung zu ‘‘von Hand’’ codierten
Message Sending grammstücken. Way
the Easy
 Mach Interface Generator packets.defs
 Corba-like Stub-and-Skeleton-Generator
mig
generate generate
 Message encoding and
decoding for free packets.h
include include
 Little RPC-specific code
packets_client.c packetsUser.c
packetsServer.c packets_server_main.c
link link
packets_server
packets_client
Gregor Schmidt
Bild 4: Generieren von Klient und Systems -aus einer MIGMach 15
Server The Microkernel Spezifikation
Origins of Operating
In Bild 4 bezeichnen Ellipsen jeweils ausführbare Programme. Zentral is
/usr/bin/mig, der Mach Interface Generator (MIG). Namen in Kästchen beze
Dateien mit C-Quelltext oder MIG-Spezifikationen. Die in Bild 4 fett gedr
Dateinamen deuten auf Programmstücke, die der Programmierer zu erstellen hat, de

28. The Mach Microkernel
Interprocess Communication by Example
 Calculator example
 Server providing calculation facilities
 Client using command line interface to receive tasks and queries server for
the answer
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29. Overview
 Introduction
 The NeXTSTEP operating system
 The Mach Microkernel
 The next steps
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30. The next steps
 1995 - reorganization of NeXT towards software
 NeXT computers, Inc. - NeXT software, Inc.
 NeXTSTEP - OPENSTEP
 support for different platforms
 all NeXT computers
 Intel based computers
 PA-RISC Workstations
 Sun SPARC
 (IBM PPC) in labs
 WebObjects - first application server
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31. The next steps
OpenStep and OPENSTEP
 OpenStep is an object oriented API
 Designed by NeXT and Sun
 OPENSTEP is an implementation
 Other for
 Windows NT
 Solaris
 Linux - GNUStep
 Main components
 Display PostScript
 Objective-C Runtime and Compilers
 Majority of NeXTSTEP's Objective-C libraries
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32. The next steps
 1996 - take over by Apple, Inc. - 400 Millions US$
 OPENSTEP becomes Mac OS X
 with a new User Interface - Aqua
 but the same underlying system components
 Mach enhanced to XNU (hybrid kernel) within Darwin
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Origins of Operating Systems - The Microkernel Mach

33. References
 BOYKIN, Joseph; KIRSCHEN, David; LANGERMAN, Alan; LoVERSO; Susan:
Programming under Mach. Addison-Wesley UNIX and Open System Series,
ISBN 0-201-52739-1, Addison-Wesley 1993
 GARFINKEL, Simon L.; MAHONEY, Michael K.: NeXTSTEP PROGRAMMING STEP
ONE: Object-Oriented Applications. TELOS. The Electronic Library of Science
ISBN 0-387-97884-4, Springer-Verlag 1993
 POLZE, Andreas: Vereiltes Rechnen unter Mach. unix/mail 2/1995, Carl Hanser
Verlag München. Verfügbar im Internet: <http://www.informatik.hu-berlin.de/
~apolze/papers/um2-95.ps>. - online im Internet
 SLABIHOUD, Stephan: NeXT Computer, Inc., 1998-2005, Verfügbar im Internet:
<http://www.8bit-museum.de/docs/next1.htm>. Stand: Juni 2006 - online im
Internet
 Special References:
 en.wikipedia.org - for lots of information around NeXTStep and Mach
 lists.apple.com - for good code example and special information
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