作業系統筆記 OS Structure

周志遠教授作業系統開放式課程

OS Services

User Interface

CLI (Command Line Interface)

• GUI 是 based on CLI，所以 GUI 能做到的是 CLI 一定可以
• Shell: Command-line Interpreter (CSHELL, BASH)
  • 不屬於 OS，你打的指令不是直接交給 OS，是交給 Shell，方便使用者使用指令
  • 一台電腦可能有很多使用者，每個使用者的喜好不同，介面、顏色、指令等等，可以做一些客製化的調整

GUI (Graphic User Interface)

• Microsoft 崛起的原因

Communication

• 不是單指跨電腦的網路，也可以是 Multi-thread、Multi-processor 等同一台電腦內部的溝通

Message Passing

• 為了先前提到的 Protection (Base register、Limit register)，程式之間不能直接互相影響，會先把資料複製到 OS，再從 OS 複製到另一支程式
• 會比較慢

Shared Memory

• 也需要透過 System Call 去建立這塊 Shared Memory，不過像是 Multi-thread 預設就有
• 會有 Synchronization 的問題

OS Service 除了 User interface 和 Communication 以外，還有

• Program Execution
• I/O operations
• File-system manipulation
• Error detection
• Resource allocation
• Accounting
• Protection and security

OS-Application Interface

System Calls

• OS 提供很多 Services，要使用這些 Service 都會需要透過 System Call，所以 System Call 就是 OS 的 Interface
• 也是一種 Software Interrupt，這樣才能去改變 Mode
• 為了效能，是使用 Assembly Language 撰寫

API (Application Program Interface)

• 直接使用 System Call 是一件很麻煩的事情，所以 User 的程式通常是使用 API 來做到這件事，而不是直接 Call System Call。大部分的 API 都是使用 C 語言做成的 Library

• API 有可能包含很多 System Call，也有可能完全沒有 System Call

  • 沒有 System Call: 方便使用者使用，像是一些數學的計算

• 一些常見的 API

  • Win32 API for Windows

  • POSIX API for POSIX-based Systems (UNIX、 Linux、Mac OS)

    • POSIX: (Portable Operating System Interface for Unix)
    • 我在 Linux 上寫一個程式可以執行，直接拿到 Mac 上一定也可以跑，因為 Interface 的定義完全一樣 (Library 可能不一樣)

  • Java API for Java Virtual Machine (JVM)

OS Structure

Simple OS Architecture

• 開發很快，但是系統裡面的架構全部混在一起
• 定義不清楚，非常不安全，也不好維護

Layered OS Architecture

• 功能分割得很清楚，上層可以 Call 下層，下層無法 Call 上層
• 很好 Debug、維護
• 因為是 Layerd，可能涉及到許多 Memory Copy，效能不好

Microkernel OS

• Kernel 的程式碼越少越好，比較 Reliable，不要有 bug 就好

• Modularize 的概念，Kernel 只負責溝通不同 Module，Kernel 以外的全部在 User Space

• 效能比 Layered 還要更糟糕

  • User Space 的東西之間要溝通，都需要 System Call
  • 為了避免 Synchronization 的問題，都是透過 Message Passing

Modular OS Architecture

• 很常見，現在大多是使用這種架構
• 跟 Microkernel OS 的差別在，都是在 Kernel Space，方便 Module 之間溝通，跑起來更有效率

Virtual Machine

• 一台電腦有很多使用者，每個人可能會需要自己的 OS
• VM 能夠做一個硬體抽象層，映射到原本電腦的硬體，讓 VM 使用

問題

• VM 全部都是跑在 User Space，無法直接執行 Privileged Instruction

  • 需要送出一個 Intrucupt 到原本的 OS (Kernel Space)，然後原本的 OS 再幫它重複執行一次，才在 User Space 做 Kernel Space 的事情
  • 有些 CPU 會特別支援 Hardware Support，也就是多一個 bit 去記錄 User Mode、Kernel Mode 以及 Virtual Machine Mode，就可以直接執行 Privileged Instruction

• Critical Instruction

  • User Space 可以執行，但是執行結果和在 Kernel Space 的執行結果不一樣

Usage

• 提供完全的 Protection，使用者不會互相影響，一個 OS 被 Hack 其它 OS 也沒事
• 提供特定的執行環境
• 測試開發 OS，避免整台電腦 Crash
• 實現資源管理，像是有些雲端計算會用到 VM

Full Virtualization

• Guest OS 的程式碼完全不用動，可以直接裝在原本的 OS 上
• Vmware

Para-virtualization

• Guest OS 會需要修改
• 有一個 Manager 去管理所有 Guest OS
• Xen

Java Virtual Machine

• Java 執行的方式就像跑在一個 Virual Machine 上
• 跟 Nachos 很像，只做 Instruction 的轉換，把 Java Machine 上 Compile 出的 Bytecodes 轉換成其它的
• 有一些 Translation 上的優化，像是 **Just-In-Time (JIT)**，記錄 Translation 過的 Instruction