CH1 OS 在幹嘛

當硬體複雜到一個程度的時候，必須有個媒介來控制 - 作業系統 Operating System (簡稱 OS)

1. 可以讓我們更容易解決問題
2. 可以讓 PC 的介面更容易使用
3. 讓硬體更有效率的使用

電腦可以被切成四塊

1. 硬體
   • CPU、memory、I/O devices
2. OS
3. Application programs (APP)
4. Users
   • People、machines、other computers

OS 是 resource allocator

是資源分配者，會以有效率且公平的方式來管理與分配系統 resource (硬體)

OS 是 control program

監督使用者程式的執行，避免程式發生錯誤或使用不當 (防止惡意程式毀滅系統)

OS 的定義

1. 對於 OS 並沒有一個完整適合的定義
2. 通常我們把管理硬體有關的 program 都稱為 OS “Everything a vendor ships when you order an operating system”
3. OS 是使用者與硬體的介面，做為電腦系統資源的管理者，以有效的管理方式來使用硬體，提供使用者可執行程式的環境

kernel 的定義

1. 只要開機就會一直被執行的 program “The one program running at all times on the computer” 其他是系統程式 (system program) 或 app
2. 核心就是系統上面的一個檔案而已，這個檔案包含了驅動主機各項硬體的偵測程式與驅動模組

bootstrap program

1. 在開機或重開機的時候會讀取的程式
   • 通常放在 ROM 或 EEPROM 裡，被稱為韌體 (firmware) (資料不會隨著電源消失而消失的 RAM)
     • 開機後 OS 會偵測系統的週邊設備，逐一載入每一種設備的驅動程式
   • 開機程式的作用
     1. 設定系統初值或參數，包括 CPU registers、device controllers、memory 等等
     2. 從硬碟將作業系統核心載入記憶體
     3. 啟動 OS 的執行
        • 啟動 OS 後所執行的第一個 process 稱為 init，init 會產生許多幕後的 login process 在那兒等候事件的發生，完成開機的程序

Computer-system operation (計算機系統的運作)

I/O 和 CPU 經由公用 Bus (匯流排) 存取共用 Memory

1. I/O 和 CPU 可以同時在運作
2. 每個 I/O device 都有一個 controller 在負責控制，同時擁有 local buffer
3. device controller 需要專屬軟體來指揮它們，這些軟體叫做驅動程式 (device driver)
   • 驅動程式對 controller 下命令指揮它們完成輸出入工作
   • OS 透過 driver 來控制與指揮 device controller 對週邊設備做實際的 I/O 動作
4. CPU 從 memory 裡拿出資料放到 local buffer 或從 local buffer 拿出資料放到 memory 裡
5. device controller 利用中斷 (inperrupt) 來通知 CPU，他做好 I/O 了

• Should device controller be consider as a CPU?
  • Many I/O device even have powerful microprocessor

I/O 做完要怎麼通知 CPU？

1. polling
   • 用一個 while loop 一直戳 device controller，看他做完了沒
   • 相當浪費時間
2. interrupt
   • 優點：不用 polling，一直戳很浪費時間
   • 缺點：要額外的軟體、硬體來做 interrupt

Interrupt 在幹嘛？

1. 當 I/O device 完成動作後，他會朝 CPU 打出 interrput，interrupt 裡面含有中斷服務程式的地址
2. Interrupt architecture 會把這個中斷服務程式的地址存下來，並且執行這個中斷服務程式 (例如：處理 I/O 拿進來的資料)
3. 如果在執行中斷處理的同時有另一個 interrupt 打進來，這個 interrupt 是無效的
4. CPU 正在忙剛剛的 I/O，沒有時間做新的 I/O
5. 避免錯失 interrupt

Interrupt 處理

中斷發生時，硬體將被中斷程式的暫存器以及 return address 儲存在一個固定位置上，以便將來能夠恢復原來的執行工作

1. 暫停目前 process 執行並保存此 process 當時執行狀況
2. 立即移轉到固定的記憶體位置上 (根據 Interrupt ID 查尋)，此位置含有 interrupt vector
3. interrupt vector 儲存 ISR (Interrupt Service Routine) 的起始位址
4. CPU 根據這個位址去執行相關的服務工作
5. 執行完成，恢復先前 process 執行狀況回到原先中斷前的執行

Interrupt 的種類

1. 硬體打進來的叫 IRQ
2. 軟體打進來的叫 Trap or exception，是經由 system call 產生的中斷，包括邏輯錯誤，不合法的記憶體存取
   • 常見的 trap
     • divide-by-zero
     • invalid memory access
     • illegal instruction
     • a request for OS service
3. OS 是一個中斷驅動 (interrupt driver)

Interrupt timeline

CPU 與 I/O 可同時進行，CPU 啟動 I/O 動作，I/O 完成後會發出中斷給 CPU

I/O 架構 (structure)

1. 同步 I/O 架構 (Synchronous)：一段時間內只有一個 I/O 請求產生
2. 非同步 I/O 架構 (Asynchronous)：必須有一個 Device-status table 以記錄各種裝置 I/O 的類型、位址、使用狀況

直接存取記憶體 Direct Memory Access Structure

DMA 是一種專門為 high speed devices 做輸出入的設備 (沒有 CPU 的介入會變快)

• 作業程序

  1. 首先由 CPU 預設好 I/O 所需要的 buffer、pointer 與 counter 後
  2. 由 CPU 啟動 DMA controller，讓 DMA 自行去做記憶體與 buffer 之間的大量資料讀寫的工作，而不用 CPU 的干預
  3. 每當讀寫完一筆資料後，才由 DMA controller 發出中斷告訴 CPU 工作已完成
  4. 接著再由 CPU 重新設定 buffer、pointer 與 counter
  5. 繼續啟動 DMA 做後續的輸出入工作

• 一個 block 產生一個中斷，不像其他是一個 byte 就產生一個中斷

Storage Structure

1. 任何要被執行的程式都必須儲存在可複寫記憶體，稱之為主記憶體，又稱隨機存取記憶體 (Random-Access Memory 或 RAM) 以動態隨機存取記憶體 (DRAM：Dynamic RAM) 的半導體技術製作而成 (volatile 揮發性)

2. 大部份電腦系統提供輔助記憶體 (secondary storage) 做為主記憶體的延伸 輔助記憶體的主要要求是能夠永久保存大量的資料 (nonvolatile 非揮發性)

3. 磁碟 (Magnetic disks)
4. 固態硬碟 (Solid-state disks)

記憶體的階層

1. Speed
2. Cost
3. Volatility (電源切了就掰了)
4. caching：將讀過的東西 (比較常使用的意味) 放在比較快的 storage 裡
   • 快
   • cache 很容易滿
5. buffer：在短時間內寫入多次
   • 放入 buffer 裡面一次做完 I/O

快取 (Caching)

Cache 又稱為 buffer memory 是一種成本高且速度快的儲存設備

1. CPU 欲讀取資料會先檢查資料是否在 cache
2. 若是稱之為 hit，可立即取出使用；否則稱之為 no hit
3. 必須到記憶體取出資料同時更新 cache 的內容。

電腦系統架構 (Computer-System Architecture)

1. 單一處理器系統 (Single-Processor Systems)

   • 僅有一個一般處理器執行使用者的處理行程之系統

2. 多處理器系統 (Multiprocessors) 又稱並連系統 (parallel systems)、耦合系統 (tightly-coupled systems)

   • 擁有一個以上的處理器，共同使用匯流排、時脈、記憶體、周邊裝置
   • 優點
   • 增加產量
   • 經濟度量 (共用周邊設備)
   • 增加可信度(容錯性：Fault Tolerant)
   • 類別
   • 非對稱多元處理 (Asymmetric Multiprocessing)
   • 對稱多元處理 (Symmetric Multiprocessing)

對稱多元處理

1. 非對稱多元處理
   • 主處理器會指定每個處理器不同之任務，有主從關係
2. 對稱多元處理
   • 每個處理器執行相同之任務，沒有主從關係

雙核心設計 (A Dual-Core Design)

1. UMA：均勻訪存模型（Uniform Memory Access）
   • 指所有的物理存儲器被均勻共享，即處理器訪問它們的時間是一樣的
2. NUMA

雙核心設計比二元處理器還有效率 (內部通信) 及省電

集成式系統 (Clustered Systems)

1. 集成式電腦分享儲存裝置，經由區域網路、無線寬頻網路彼此相連，可提供高的取得率 (high-availability)

2. 非對稱集成系統 (asymmetric clustering) 一台機器處於熱待機狀態 (hot-standby mode) 為一監督工作的伺服器，其他機器則執行應用程式

3. 對稱集成系統 (symmetric clustering) 所有機器均執行應用程式並互相監督

4. Some clusters are for high-performance computing (HPC)

   • Applications must be written to use parallelization

5. Some have distributed lock manager (DLM) to avoid conflicting

作業系統架構 (Operating System Structure)

• 作業系統提供執行程式的環境，工作排班的最重要觀念就是多元程式規劃的能力
• 多元程式規劃 (multiprogramming)的目的就是讓 CPU 始終有工作做，以增加 CPU 的使用率
• 作業系統在同一時間存放數項工作在記憶體中，這一組工作是工作池 (job pool) 中所有工作的部份集合，作業系統把工作池中的一項工作挑出來並且開始執行

多元程式規劃 (Multiprogramming) 是什麼？

1. 單一的 User 很難讓 CPU 和 I/O 一直同時保持忙碌
2. Multiporgramming 收集要執行的 job，讓 CPU 一直保持忙碌
3. memory 裡面會維護一份要執行工作的清單
4. 利用 Job scheduling 來排程
5. 當有人在等 I/O 的時候 CPU 就可以切到下一個工作去

分時 (Timesharing) 或多工 (multitasking) 是什麼？

定時打 clock interrupt 給 CPU，讓 CPU 在各個 process 間切換，感覺同時做很多工作一樣

1. Response time < 1 sec (很短)
   • 適合 user (人類) 的 system
2. CPU scheduling
   • 決定下一個 job 要做啥
3. Job scheduling
   • 決定下一個搬到 memory 裡的 job 是哪個
4. Swapping
   • 當 main memory 要爆炸了! 可以把一些 job 暫時放到 disk 裡面，等到 memory 比較空一點再搬回來
5. virtual memory
   • memory 不夠了! 要執行的 process 太大把 memory 塞爆了，可以拿一些 disk 空間放目前沒有執行到的部分

!!! Timesharing 是基於 Multiprogramming，但 Multiprogramming，但不一定是 Timesharing!

下圖是 Memory Layout for Multiprogrammed System

作業系統的運作

1. 現代作業系統是中斷驅動式 (interrupt driven)，如果沒有行程要執行，沒有 I/O 裝置要服務和沒有使用者需要回應，則作業系統將安靜進入等待事件發生；事件通常都是由於中斷或陷阱 (Trap) 的發生 (如被 0 除) 而被通知
2. 因為作業系統和使用者共用電腦系統中硬體和軟體的資源，在共用的情況下，一個程式中的錯誤 (如 Infinite Loop) 可能會使許多工作受到不利影響
3. 一個設計正確的作業系統必須保證一個不正確的 (或蓄意破壞的) 程式不會造成其他程式不正確的執行

雙模式運作 (Dual-mode Operation)

為了確保作業系統正常操作，一定要能夠區別作業系統程式碼和使用者定義程式碼的操作

1. 模式分兩種

   • 使用者模式 (user mode)
     • 受保護的環境，不可以直接操作硬體，不能亂打別的 process，不能攻擊 OS 之類的
   • 核心模式 (kernel mode)
     • 也稱為 supervisor mode
     • 也稱為系統模式 (system mode)
     • 也稱為特權模式 (privileged mode)
     • 可以做任何事!!!
   • system call 可以將 user mode 切換至 kernel mode (以前的 CPU 沒有 mode 的概念，隨便一隻程式就可以毀滅系統)

2. 流程

   1. 在系統啟動時，硬體必須由 kernel mode 開始
   2. 載入作業系統
   3. 在 user mode 開始執行使用者應用程式
   4. 每當一個插斷或 Interrupt 發生時，硬體從 user mode 轉換到 kernel mode
   5. 作業系統得到電腦的控制權時，電腦就是在 kernel mode 中
   6. 使用者程式再將控制權交給一個使用者程式之前，轉換到 user mode

3. 越來越多的 CPU 支持多模式操作

   • 即虛擬機管理器（VMM）模式用於訪客虛擬機
     • virtual machine manager (VMM) mode for guest VMs 32

計時器 (Timer)

• 必須保證作業系統維持控制
  • 必須防止使用者程式陷入一個無窮迴路之中，而永遠不把控制權交還給作業系統。為達成此目的，可以使用一個計時器(timer)

• 計時器設定在某段時間之後中斷電腦
• 其週期可以是固定的 (例如：1/60 秒) 或可變的 (例如：從 1 毫秒到 1 秒)
• 用計時器來防止使用者程式執行太久
• 簡單的技巧是用程式允許的時間量設定計數器之初值
• 例如：具有 7 分鐘時間限制的程式設定計數器初值為 420
• 每過 1 秒鐘，計時器就會發出中斷且計數器值減 1
• 只要計數器值為正，控制權仍回到使用者程式
• 當計數器值擴成負值時
• 作業系統因為程式超過其時間限制而終止執行

行程管理 (Process Management)

• 行程 (Process) 可以視為執行中的程式
  • Program is a 被動 (passive) entity
  • Process is an 活躍 (active) entity
• 行程需要某些特定的資源，包括 CPU 時間、記憶體、檔案和 I/O 裝置等，以完成其工作，這些資源在行程產生或執行時就會配置給它

• 除了實體資源和邏輯資源的配置之外，有些起始資料 (輸入) 也可能會隨著行程的產生而產生

• 行程管理方面，作業系統必須提供下列的功能
  1. 在 CPU 上的行程及執行緒排班
  2. 使用者和系統行程的產生與刪除
  3. 行程的暫停和恢復
  4. 提供行程同步機制 (process synchronization)
  5. 提供行程通信機制 (process communication)
  6. 提供行程 (deadlock handling)

主記憶體管理 (Memory Management)

memory 有限，要怎麼分配?

• 程式執行時，主記憶體必須映對到絕對位址並且載入主記憶體之中
  • All data in memory before and after processing
• 程式執行時，藉由產生程式指令和資料的絕對位址，才能從記憶體存取
  • All instructions in memory in order to execute
• 程式結束時，它釋放出記憶體為可用狀態，以及載入下一個程式並且執行它

• 主記憶體管理 (Memory Management) 決定 what is in memory when 優化 (Optimizing) CPU 採用 (utilization) and computer response to users

• 記憶體管理方面，作業系統必須具有下列的功能
  1. 記錄正在使用的記憶體部份以及是誰在使用
  2. 在記憶體空間可用時決定載入的行程
  3. 在需要時配置和回收記憶體空間

儲存體管理 (Storage Management)

• 作業系統提供資訊儲存一個一致性的邏輯觀點，目的是為了讓使用者能更方便的使用電腦系統
• 作業系統摘取儲存裝置的實體特性並將之定義成邏輯儲存單元，也就是檔案 (file)
  • 不同的屬性包括
    • 訪問速度 (access speed)
    • 容量 (capacity)
    • 數據傳輸速率 (data-transfer rate)
    • 訪問方式 (access method) 順序或隨機 (sequential or random)

檔案系統管理 (File-System Management)

1. 檔案的建立與刪除
2. 檔案的目錄 (directories) 建立與刪除
3. 處理 (操作) 檔案和目錄
4. 檔案與輔助記憶體的對映 (Mapping)
5. 穩定 (非揮發性 non-volatile) 儲存裝置上的檔案備份

大量儲存體管理 (Mass-Storage Management)

• 太大放不進 main memory，所以放在磁盤
• 計算機操作的整體速度取決於磁盤 (disk) 子系統及其算法
• OS activities
  • 可用空間管理 (Free-space management)
  • 記憶體配置 (Storage allocation)
  • 磁碟排班 (Disk scheduling)
• 這些儲存的東西不需要很快
  • 三級存儲包括光纖存儲，磁帶
  • 仍然必須由 os 或 app 進行管理
  • WORM（一次寫入，多次讀取）和 RW（讀寫）之間變化不大

快取記憶體 (Caching)

Migration of Integer A from Disk to Register

I/O Subsystem

• I/O subsystem responsible for
  • 記憶體管理構成要素包括
    • 緩衝 (buffering)
    • 快取 (caching)
    • 連線同時週邊作業 (spooling)
  • 通用裝置驅動程式 (Driver) 介面
  • 特定硬體裝置驅動程式