# CH2 Service
## 一、中斷 (Interrupt)
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[TOC]
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中斷是指處理器接收到外圍硬體或軟體的信號，導致處理器通過一個執行 context switch 並處理該事件。
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Interrupt 的處理流程：

暫停目前 process 執行並保存此 process 當時執行狀況
OS 根據 Interrupt ID 查尋 Interrupt vector 並取得 ISR (Interrupt Service Routine) 起始位址
ISR 執行
執行完成，恢復先前 process 執行狀況
回到原先中斷前的執行
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中斷的種類：

- 外部中斷（External Interrupt）: CPU 外的週邊元件所引起的。（I/O Complete Interrupt, I/O Device error）
- 內部中斷（Internal Interrupt）: 不合法的用法所引起的，CPU 本身所引發。（Debug、Divide-by-zero、overflow）
- 軟體中斷（Software Interrupt）：使用者程式在執行時，若需要 OS 提供服務時，會藉由 System Call 來呼叫 OS 執行對應的 ISR，完成服務請求後，再將結果傳回給使用者程式。
Trap = Internal Interrupt + Software Interrupt
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**[補充] 現代電腦系統架構**

- 每一個裝置控制器(device controller)負責一個特定型態的裝置。
- I/O 裝置和 CPU 可以同時執行並競爭記憶體。
- 每一個裝置控制器有自已的緩衝區。
- 發生一個事件時，由硬體或軟體產生中斷來通知。
- 近代的作業系統是中斷驅動 (Interrupt Driven) 。
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## 二、I/O 的運作方式

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三種將資料在 I/O 間傳送的方法：

- Polling：最簡單的方式讓 I/O 裝置與 CPU 溝通。I/O 裝置只要將資訊放進狀態暫存器，CPU 會周期性的檢查並取得資訊來得知需要服務的裝置。
Interrupt-driven I/O：利用 interrupt 的機制，當一個 I/O 裝置需要服務時，會發出 interrupt 來通知 CPU (非同步I/O)。
- DMA (Direct Memory Access)：提供一個裝置控制器，讓 I/O 裝置能夠直接在記憶體做資料的傳輸，不需要 CPU 的參與。
- cycle stealing: DMA 向 CPU 竊用機器週期，而直接向記憶體存取資料，因此 CPU 可與週邊裝置的工作同時進行。萬一 CPU 與 DMA 對記憶體存取發生衝突，則給 DMA 較高的優先權 (執行消耗小的先執行)。
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I/O 架構：

- 同步 I/O 架構 (Synchronous)：一段時間內只有一個 I/O 請求產生。
- 非同步 I/O 架構 (Asynchronous)：必須有一個表以記錄各種裝置 I/O 的位址和使用狀況。
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## 三、Dual-Mode
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OS 會把影響重大的指令設為特權指令 (Privileged Instruction)，以保護重要的資源，需要 Kernel mode 才能執行。Dual-Mode 需要硬體的額外支援，用一個 Mode Bit 記錄權限。

- User Mode (Mode Bit==1)：一般模式
- Kernel Mode (Mode Bit==0)：在此模式下才有權利執行特權指令
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特權指令的種類：

1. I/O指令
2. 與記憶體管理有關的暫存器之修改指令
3. 與 Timer 設定有關的指令
4. Enable/Disable 指令
5. 系統停止指令
6. 從 user mode 改變到 kernel mode 的指令
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## 四、System Calls
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Programming interface to the services provided by the OS. Mostly accessed by programs via a high-level API rather than direct system call use (because of portability and simplicity issue).
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Three most common APIs are :

- Win32 API for Windows
- POSIX API for POSIX-based systems (including virtually all versions of UNIX, Linux, and Mac OS X)
- Java API for the Java virtual machine (JVM)
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**[補充] System Call的參數如何傳遞給OS?**

用暫存器儲存這些參數。
將參數用表儲存在記憶體中，同時用一個暫存器記錄此表起始位址並傳給 OS。
利用 System Stack。要存放參數時將之 Push 到 Stack 再由 OS 從 Stack 中 Pop 取出參數。
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**[murmur]** Most users'view of the OS is defined by system programs, not the actual system calls (such as ls, cp, mv)
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## 五、OS 結構設計
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1. **Simple structure**：早期的structure，例如MS-DOS

- Pros : simple
- cons : poorly structured. No protection. MS-DOS is left no choice because the CPU 8088 has no hardware support of user-kernel modes.
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2. **Monolith**：開始分 kernel mode 和 user mode，例如 UNIX

- Pros : efficient
- Cons : not scalable
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3. **Layered**：概念好但不存在，因為完全分層設計困難

- Pros : more structured, easy to debug and to scale
- Cons : difficult to comply with, very hard to define layers
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4. **Modules**：Most modern operating systems implement kernel modules, e.g. linux.
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**Overall, similar to layers but with more flexible.**
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5. **Microkernel**：核心功能能省則省，把很多功能都放到核外，例 如 Mach (Mac OS X)

- Pros : Robustness, Scalability, and Security
- Cons : inefficient. Because of message passing.
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## 六、虛擬機
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虛擬機 (**Virtual Machine, VM**) 透過軟體模擬的機制，創造一份與底層硬體一模一樣的功能介面。對真正實際的系統而言，VM 上的 OS 只相當於一個執行中的 User Program，開發 OS 時較為安全且方便。
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優點：

- 對於 OS 的測試與開發是一個很好的平台工具。
- 因為 VM 是孤立的，所以在OS的開發或測試過程中所引起的不當錯誤，也不會對實體系統造成危害。
- 測試 OS 可在 VM上執行，而其它 User Program 仍可在其它的 VM 上正常運行不會中止。
- VM 具有安全性。
- 同一部機器上可執行多套不同的 OS，是實作 time-sharing system 的簡單方法。

缺點：

- 製作極為困難
- VM 之間非常的孤立，所以不易溝通及資源共享。
- 效能沒有真正的系統好
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### 1. Instruction Type
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- Privilege instruction：會進 trap 的指令

- Sensitive instruction：修改到硬體的指令

- Innocuous Instruction：Those that are not control or behavior sensitive
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==**[用心去感覺] Virtualizable**==

If **sensitive instruction** a subset of **privileged instructions**, the VM can be build efficiently (**Virtualizable**).
In **practice, Sensitive instructions** are patched with trap instructions.
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### 2. Java Virtual Machine
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高階語言如 Java，會先透過 Java compiler (javac)，將 Java 程式會先被轉成跨平台的虛擬機器碼(byte-codes)，再透過 Interpreter 便可在跨平台系統上執行。
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**Just-in-time compiler**

將傳統 Interpreter 替換成 JIT compiler，當 Java 執行 runtime 環境時，即時編譯器(混合靜態編譯與動態直譯)會針對程式熱區(hotspot)進行編譯優化成精簡的原生型指令碼，然後保存在記憶體中加速執行。
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