OS
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# Syllabus
# Ch01 : Introduction
## 什麼是作業系統?
* 簡單來說是使用者與電腦硬體間的溝通媒介
* 目的:
* 執行使用者的程式並協助解決使用者的問題
* 讓電腦系統易用性提高
* 有效使用電腦硬體
* 功能:
* 資源分配者
* 監控使用者執行的程式，防止錯誤或不當使用行為
## 電腦系統架構(組織)
1. 硬體
2. 作業系統:
* 根據使用需求有不同設計模式，像是個人電腦的OS與嵌入式系統的OS設計就不同
* 面向使用者需求，因此multi-programming/multi-tasking的發展逐漸成熟
* 可以簡單分為Kernel跟系統程式(system program)、應用程式(application program)
3. 應用程式
4. 使用者
* 補充:開機程式(bootstrap program)

## Interrupt(中斷事件)
* 概述:硬體發送訊號給CPU(通常透過系統匯流排，也就是system bus)時，會觸發**中斷**事件；當CPU被中斷時，會立即停止正在執行的程序(process)，並把執行權移交處理中斷事件。中斷服務工作(Interrupt service routine, ISR)執行完成後，CPU會回到被中斷的運算位置重新運作。
* 如下圖:
* 中斷事件發生時，其位址(address，指向中斷事件發生的位址)會被記錄在陣列內(可以視為array of pointers)，並存放在low memory。要記錄其位址才能讓OS跟CPU知道要去哪個記憶體位置執行事件。
* 實作:詳細解釋中斷事件時作業系統與各電腦元件做的事
* CPU硬體上有實體的wire，稱為interrupt-request line，在執行每個instruction後用來偵測中斷事件，當在line上讀取到interrupt number時(代表有中斷事件發生)，CPU根據該number移交執行權給interrupt-handler routine處理對應的中斷程序
* interrupt-handler根據interrupt vector中的index處理對應的中斷事件，處理過程中會記錄任何操作造成的狀態變更、決定中斷造成的影響並執行對應運算；最終執行`return_from_interrupt` instruction return給CPU。
* **可以總結為:device controller _raises_ an interrupt by asserting a signal on the interrupt request line, the CPU _catches_ the interrupt and dispatches it to the interrupt handler, and the handler _clears_ the interrupt by servicing the device.**

* 

## Storage Structrue
* CPU只能從記憶體中讀取instructions，所以程式要執行必須先載入到記憶體中。以一般電腦來說，記憶體指的是主記憶體或隨機存取記憶體(RAM)，通常以半導體製成，稱為動態隨機存取記憶體(DRAM)。
* RAM是揮發性的，斷電資料即消失。
* 開機程式(bootstrap program)存放在EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)以及韌體上；上述兩種儲存裝置不常被寫入、非揮發性且讀寫速度較慢，因此主要存放不常使用的資料或程式，例如裝置序號或硬體資訊等。
- http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/Flash

## I/O Structure

# CH02 : System Structures
## 作業系統的設計與實作
0. 如何設計:
* 視需求而定
* 視硬體而定
* 基本上分為兩面向，從user goal或是system(developer)goal出發。也因此可以發現不同的需求決定不同的作業系統型態，例如即時系統、嵌入式系統與常見的Windows作業系統設計方式就大相逕庭。**沒有特定解答，因此掌握下列的設計原則就相當重要**。
2. 原則
* 關注點分離
* Policy: What will be done?
* Mechanism: How to do it?
3. 實作
* 早期多以組合語言
* 中期以系統程式語言如Algol, PL/1為主
* 現在以C/C++為主流
* 實際上多由各種語言組成，視需求決定
* 底層：組合語言
* 主體：C
* 系統程式：C/C++, PERL, Python, Shell Script等
* Emulation允許OS執行非原生之硬體
4. 架構
* 並沒有良好的分離式設計

# CH03 : Process Concept
- 正在執行中的program就稱為process，一個process需要一定的資源，包括CPU time, 記憶體, 檔案, I/O裝置來幫助其完成任務。當process被執行時，上述資源才會被分配給process。
- OS執行systme code, 使用者執行user code。可以併行(concurrently)執行。
- 重點:
- Process概念
- Process的幾種特性、功能，包括排程、creation & termination、溝通模式
- Process間的溝通模式 : shared memory和message passing
- 在client-server系統中的溝通模式
## Process概念
- Process的狀態會被記錄在program counter的值和processor的registers內。
- Process的記憶體layout通常被區分成下列幾個sections:
- Text : 可執行的程式碼區段
- Data : 全域變數
- Heap : 隨program執行而動態分配的記憶體空間
- Stack : 暫時性的資料儲存位置(例如觸發function時的parameters、return address、local變數等)
- 如圖示
- text和data的大小固定，不隨程式執行改變；heap和stack則是動態成長或減少。OS會確保head和stack的記憶體區塊不重疊。

- Program(passive) v.s. Process(active)
- Program是一種檔案，包含instructions並儲存在硬碟
- Process則是執行中的程序，program counter會指定下一個要執行的instruction以及所需要的系統資源組合。

- Process可以是另一個process的執行環境，例如:Java program在JVM(Java Virtual Machine)上執行。

### Process State
- Process隨執行改變其狀態，其狀態包含:
- New : 被create
- Running : instruction正在被執行
- Waiting : 等待其餘事件完成(例如:I/O事件或signal的接收)
- Ready : 等待被分配給processor
- Terminated : 完成執行

- **一個processor core(核心)一次只能執行一個process，所以總是會有很多processes處在ready和waiting的狀態。**

### Process Control Block
- 在OS，各個process由PCB來表示，PCB記錄特定process的資訊，包含:
- Process state : new/ready/running/waiting/halted等
- Program counter : 指定下個instruction的位址
- CPU registers : 視電腦架構而定
- CPU-scheduling information : 記錄Process優先度、排隊pointer、排程參數(params)
- Memory-management information
- Accounting information
- I/O status information

### Threads
- 目前為止討論的process model都是用**process是以single thread執行的program**來描述與討論
- 現代OS通常已允許一個process可用multiple threads執行方式
- 可以平行執行(can run in parallel)
- PCB擴展為記錄多個threads的資訊
- Ch04會更詳細介紹threads的概念

## Process排程
- 原則 : 一個核心僅能執行一個process
- 當process數多於core數，勢必有process要等待有core執行完上一個process並重新排程
- 當前在記憶體中的process數為degree of multiprogramming
- 為平衡multiprogramming和time sharing的需求，考慮process的特性去排程
- I/O-bound:花更多時間做I/O
- CRU-bound:花更多時間於CPU運算
### Scheduling Queues
- 當process進入排隊，首先會被放在ready queue中
- ready queue通常以linked list的方式儲存，linked list的header指向list中的第一個PCB，每個PCB皆包含一個指向下個PCB的pointer。
- Process在執行時有可能因下列原因中斷:
- I/O request : 放回I/O wait queue
- Create a new child process : 放回wait queue直到child termination
- Be interrupted : 在interrupt wait queue中等待interrupt事件結束，再回到ready queue
- Time slice expired : 強制放回ready queue

### CPU Scheduling (more on 9th edition)
- 又稱為**short-term scheduler**，至少每 100 ms (通常更頻繁，因為有 I/O-bound process)執行一次，選擇下一個執行的 process 。
- 另外，**long-term scheduler** (job scheduler) 選擇哪個 process 要進入 ready queue ，通常每秒甚至分鐘執行一次，可調配 degree of multiprogramming
- Swapping的概念 : 當記憶體位置不足時，會將 process 記錄當前狀態並移除(swapped out)，記憶體有足夠空間時可重新讀入記憶體中(swapped in)。由**medium-term scheduler執行之**

### Context Switch
- 使多個process可分享單一CPU運算資源的方法。
- 當 CPU Context Switch 到另一個 process，系統會儲存舊 process 的狀態並載入新 process 的狀態。Context switch 的時間是 overhead，耗時根據硬體配備而不同，OS或PCB越複雜耗時越多。
- 交換時機有下列幾種:
- 多工
- interrupt
- user-kernel and system kernel switch

## Process的操作
- 多數系統中process可並行運行，因此常會動態 created 或 deleted
- 系統必須提供 creation 和 termination 的機制
### Process Creation
- New process時，兩種可能的address-space分配
1. child process 是 parent process 的複製 : 和parent相同
2. child process 有其他的program載入
- New process時，兩種可能的執行方式
1. parent 和 child 同時執行
2. parent 等 child 執行完成
- System call
- `fork()` : create a new process
- `exec()` : after fork(), replace the process' memory space with a new program

### Process Termination
1. child 執行完所有 instruction 後，call `exit()` 要OS (parent) 回收自己，parent call `wait()`
2. parent call `abort()` 終止執行中的child process(原因:可能是 child 使用超過初始分配的資源上限)
3. parent 比 child 先終止，child可能由 OS 接收 (init/systemd) 或是 cascading termination
- Orphan & Zombie
- Orphan : 當parent terminate 但 child 還沒 -> 變orphan -> 由系統接收或一併終止
- Zombie : parent還沒call `wait()` -> child 變 zombie (直到 parent call `wait()`)

## Process間的溝通方式
- Shared memory
- Message passing

## IPC系統範例
## Client-Server系統溝通