作業系統筆記 Introduction

周志遠教授作業系統開放式課程

Computer System

  • 由 Hardware、OS、Application、User 組成
    • User：people、machines
    • Application：使用 system resources 來解決問題的方式，像是各種軟體
    • Operation System：controls 與 coordinates 資源的使用
    • Hardware：提供基本的計算資源（CPU、memory、IO devices）

What is an Operation System

  • Permanent Software
    • 電腦啟動後永遠存在，沒有它電腦就不會運作
  • Abstracts 硬體資源給使用者使用
    • 把底層的各種資源變成一堆 API，給使用者方便使用，virtual 的概念

General-Purpose Operating Systems

  • Linker 會 link System Library，裡面有一堆 System call 的 API
  • 使用 printf 的時候要印到螢幕，是 OS 負責的，所以要 system call
    • user 呼叫 printf -> printf 呼叫 system call -> system call 呼叫 driver…
  • Device drivers 是 OS 的一部分

General-Purpose Operating Systems

OS 的定義

  • Resource allocator
    • manages 和 allocates resources 來確保公平性和效率
  • Control program
    • controls 程式的執行 (driver) 和 IO devices 的操作
  • Kernel
    • OS 又稱為 Kernel

OS 的目的

  • 方便性 (convenience)
    • 像是 windows 的崛起，也就是發展出圖形介面，讓使用者更方便操作
  • 效率 (Efficiency)
    • 更有效率的使用資源，當問題很複雜時，Efficiency 是最後追求的東西
    • 像是很多人用 Linux，是因為圖形介面也會吃資源，但那不是必要的
  • 兩者衝突，追求方便性效率就下降，追求效率方面性就下降

OS 的重要性

  • OS 是 user program 和 hardware 之間 唯一 的 interface，一定需要經過它
  • OS 絕對不能有 bug，一旦 crash 掉整台電腦就掛了
  • OS 和電腦的架構息息相關，因此隨著需求不同，也發展出形形色色的 OS

Computer-System Organization

  • 由一個 Bus 連接 CPU、Memory、IO Device 等，作業系統就負責 Control 和 Coordinate

Computer-System Organization

Device Controller (Hardware)

  • 負責控制最 low level 的硬體，每個 Device 會有一個 Device Controller 來做溝通
  • Status reg 用來記錄現在 device controller 是 busy 還是 idle
  • Data reg 和 buffer 都是用來存資料，會先寫到 reg 再寫到 buffer
  • CPU 下指令後，Device controller 就能夠去 access disk 資料到自己的 local buffer
  • Memory 是 CPU 在用的，所以 CPU 負責 移入/ 移出 memory 的資料到 Device Controller 上的 local buffer

Device Controller

由於 Device Controller 上的 Buffer 空間是有限的，因此會需要用一些技巧來解決，像是 Busy/ wait、Interrupt

Busy/wait output

  • 最簡單暴力的運行方式，但是很浪費 CPU，CPU 變成用來監控 Buffer
1
2
3
4
5
6
7
8
9
#define OUT_CHAR 0x1000 // device data register
#define OUT_STATUS 0x1001 // device status register

current_char = mystring;
while (*current_char != '\0') {
  poke(OUT_CHAR,*current_char); // 寫到 device controller 的 buffer
  while (peek(OUT_STATUS) != 0); // busy waiting
  current_char++;
}

Interrupt I/O

  • 原本 CPU 在執行某程式碼，Interrupt 可以打斷這件事情，要求 CPU 先做其他事情，做完之後再回去執行原本的程式碼
  • 現在的作業系統都是這種形式

Interrupt-Driven I/O

又可以分成 Hardware 和 Software

Hardware Interrupt

  • 又稱為 Signal

Interrupt Service Routine

  • interrupt vector 是 array of function pointers，array 大小是固定的
    • 因為每個 function 的程式碼大小不同，所以這邊用指標來儲存，每個欄位是 4 bytes
  • signal 都會有一個 singal number，根據這個 number 去找 vector 上的欄位
  • 每個 port 的 hardware 有燒死的 singal number， 裝 driver 的時候會 overwrite 那個欄位的 fucntion pointer 的位置，去執行你要處理的程式碼

Hardware interrupt

Softwarae Interrupt

  • 又稱為 Trap

Interrupt Service Routine

  • 是用 switch case 而不是 array，因為軟體有無限的可能性，可以任意定義各種不同的 system call
  • 流程跟 hardware interrupt 差不多，根據 system call 的 number 來去找尋對應的 function call
  • 通常是使用者的程式去 Trigger 的，又可以分成主動和被動
    • 主動，也就是去 call System Call
    • 被動像是出現 Error 的時候要處理

Software interrupt

不管是 Hardware Interrupt 或是 Software Interrupt，Interrupt 的時候必須記得被打斷的程式的 Instruction Address，才能再處理完 Interrupt 回去繼續執行。

有時候 Interrupt 還會有 Hierachy，像是有時候動滑鼠會沒有反應，是因為它卡在某 Interrupt routine 裡面，所以沒有處理到滑鼠的 Interrupt

Storage-Device Hierarchy

Storage-Device Hierarchy

  • 真正的大型的系統最後還是用 tapes，因為非常 reliable，不太容易壞，而且很便宜
  • 這是最傳統的架構，現在有很多其他的 storage device 會插在中間
  • 要考量的點
    • speed, cost, volatility
    • volatile 關掉會遺失，memory 以上的全部都是 volatile
  • Main memory 是 CPU 能夠直接 access 的唯一大型的 storage
  • Secondary storage
    • memory 以下都叫做 secondary storage，代表 CPU 沒辦法直接讀取
    • 是大型的 non-volatile 的 storage

Random-Access Memory

  • DRAM (Dynamic RAM)

    • one transistor
    • less power
    • must be periodically refreshed
    • 體積小，速度比較慢
    • 因為 CPU 有很多 core， RAM 的速度其實就那樣，channel 的 bus 其實才是真正的 bottleneck
    • Main Memory

  • SRAM (Static RAM)

    • six transistors
    • more power
    • Cache Memory

Random Access 重要的地方是，你讀取任何位置的資料，時間都是一樣的，才能確保每次執行的結果相同，如果不一樣的話使用者會很難控制電腦

Disk Mechanism

  • 讀取的時間跟資料的位置有關係
  • 速度計算
    • Transfer Time = data size / transfer rate
    • Positioning Time = Seek Time (Cylinder) + Rotational Latency (Sector)
  • 如果是連續資料的讀取，其實 Hard Drive 並不會輸 SSD

Performance Of Various Storage

Caching

  • 把速度比較慢的 Storage 複製到速度比較快的 Storage
  • 如果這層找不到資料，會一層一層往下檢查，直到找到，所以有時候會比沒有 Caching 還慢

Caching

Coherency and Consistency Issue

  • 對資料做修改時，如果 Cache 修改資料時沒有更新到 Memory，其他程式在讀取時，會發生這種問題。像是 Multi-Core Processor 就會需要去處理，因為大家的 L1 Cache 是不同的，但是 L2、L3 相同

  • Single task accessing

    • 基本上沒問題，只會用到最上層的

  • Multi-task Accessing

    • 要處理大量這類的問題

  • Distributed System

    • 更加複雜，還要考慮到網路的問題

Hardware Protection

不是指 Security (網路攻擊、惡意攻擊)，指的是很多程式在執行，或是很多使用者在執行時，不會影響彼此，像是 Memory 的內容只有我自己能夠讀取，其他使用者無法讀取

Dual-Mode

  • 藉由 Hardware Support 來做最基本的 Protection，其他軟體會基於 Hardware 來實現 Protection
    • User Mode - 來自使用者執行的程式
    • Monitor Mode (Kernel Mode) - 來自 OS 執行使用者的程式
  • Call Interrupt 時，它知道你正在用 System Call，所以它會把 Mode bit 變成 0 (Kernel Mode)，沒有的話就是 1 (User Mode)

Priviledge Instructions

  • 必須在 Kernel Mode 才能執行的 Instruction，如果他發現 Mode bit 是 1，它會告訴 OS，送給你一個 fault
  • 保護電腦，不然使用者隨便寫個 Instruction 送到 CPU 就可以控制硬體

I/O Protection

  • 每個 I/O Instructions 都是 Previledge Instructions，都要透過 OS
  • 早期有個 Bypass Hack 的方式，也就是去改寫 Interrupt Vector 裡面的值，所以 OS 就能去執行我自己想要的程式碼

Memory Protection

  • Protect
    • 要保護 Interrupt Vector、Interrupt Service Routines
    • 不能 Overwrite 別人的程式碼
  • Haredware Support: 使用兩個 register 來記錄能夠讀取的記憶體區間
    • Base register: 開始的位址
    • Limit register: 這段佔記憶體多長
    • 超過這段空間就會有 Segmentation Fault
    • 修改 Base register 和 Limit register 都是 Priviledge Instructions

Use of Base and Limit Register
Hardware Address Protection

CPU Protection

  • 阻止某隻程式霸佔 CPU，像是無窮迴圈
  • Hardware Support: Timer
    • Timer 是慢慢減少，當變成 0 時，會送出 Interrupt
    • Timer 通常用來實現 Time Sharing
#OS
作業系統筆記 Introduction
https://933yee.github.io/notes/2024/07/09/os-chapter1/
Author
Kevin Lee
Posted on
July 9, 2024
Licensed under