2024q1 Homework5 (assessment)

contributed by < BooleanII >

閱讀〈因為自動飲料機而延畢的那一年〉受到的啟發

閱讀這篇文章時，我深感共鳴，仿佛回到了過去。身為電機系學生，在大學期間除了課堂實驗即大四專題外，從未有機會真正動手操作電路。直到研究所時期參與機器人專案，我才第一次親手製作電路，從設計到組裝都親自參與其中。當看到機器人按照指令動起來時，那份感動無以言喻。

畢業後進入職場，整合多塊電路板、調校細節、生產成品，都是新的挑戰。學生時代的實作經驗雖多少有些幫助，但在產品的量產過程仍花了許多時間在掌握細節。

曾經遇過四大的大三學生不會用三用電錶，理由是沒有修過實驗課。電機系學生不會焊接電路真實存在，我認為很大的原因是缺乏實作的機會與動機，考試不會考的科目通常不太被受到重視。

第 1 到第 6 週 「課程教材」和 CS:APP 3/e 研讀紀錄

CS:APP 3/e

如同因為自動飲料機而延畢的那一年系列文章中提到，軟體的有趣之處在於可以馬上看到結果，且實驗的難度與成本相較起硬體電路來的低許多。
有別於電機系從計算機概論、計算機組織到計算機結構，以建構者的角度學習計算機系統，但上完後能否打造一個計算機系統又是另外一回事。本書以軟體人的觀點介紹計算機系統運作方式，期許在閱讀後知道如何寫出更好的程式。此處的好不限於性能的優化，更包含理解程式開發過程中遇到的錯誤提示，以及避免程式碼存在安全漏洞。
第一章的內容大至上是複習計算機概論所學，值得一提的是抽象表示概念，作業系統透過下列的抽象描述進行實作：

• 文件（文件）： I/O 設備
• 虛擬記憶體（虚拟內存）：程式存取的記憶體抽象描述，包含 I/O 設備連接的硬碟與記憶體
• 行程（进程）：程式抽象描述，包含處理器（指令集架構）、記憶體與 I/O 設備
• 虛擬機（虚拟机）：計算機系統抽象描述，包含作業系統與底層硬體
  此處文件的概念又與 Unix 系統中的 Everything is a file. 概念相互呼應。
  

注意用詞：

• file 是「檔案」，而非「文件」(document)
• virtual machine 是「虛擬機器」，而非「機」(engine)

Amdahl 定律其透過三個變數評估程式性能提升的效果，包含應用程式運算時間 (

$T_{old}$) 、優化程式碼片段運作的時間 (

$\alpha$) 與性能提升比例 (

$k$) 。有趣的是，當性能提升比例高於一定數值時，實際獲得的加速比會收斂。透過此定律的分析，可以避免盲目追求性能，而未能獲得對等的效益。

閱讀第二章時想到下列問題：

• 書中第 24 頁提到 GCC 默認編譯時，所使用的 C 語言標準為 GNU89 ，該如何確認該設定為何？另外，由於新的 C 語言標準可向下相容，該如何選用哪種版本進行編譯？

  • 不同版本的 GCC 默認 C 語言標準有所差異，在 11.04 的說明文件中提到，其使用的是 gnu17 。

  • Language Standards Supported by GCC

• bi-endian 設備在運作時，是否可同時處理 little endian 與 big endian 兩種資料格式？

  • 依據 CPU 與其指令集是否支援而定，包含但不限於下列種類：
    • 透過硬體配決定使用哪種資料格式。
    • 在系統啟動過程中，透過軟體決定使用的資料格式。
    • 運作過程中可同時處理兩種資料格式。

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Endianness#Bi-endianness

• little endian 與 big endian 看起來只是單純的硬體架構上的差異，兩者在實際運作上存在優缺點嗎？

  • little endian 和 big endian 的優缺點相互補
  • big endian 優點
    • 資料排列方法容易閱讀。
    • 即便使用錯誤的型態讀取資料，仍可獲得正確的 signed bit 。
    • bitwise 位移操作較為簡單且直觀。
  • 缺點
    • 使用錯誤的資料長度讀取時，取到的內容會完全錯誤。
    • 大多數的 big endian 處理器不支援非 word 單位的記憶體位址資料讀寫。

  • Big-Endian, Little-Endian: Comparison

• 圖 2-4 的範例程式中，為何將 byte_pointer 定義為 signed char pointer 會有不同的結果？

#include <stdio.h>

typdef unsigned char *byte_pointer;

void show_bytes(byte_pointer start, size_t len) {
    size_t i;
    for (i = 0; i < len; i++)
        printf(" %.2x", start[i]);
    printf("\n");
}

void show_int(int x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(int));
}

void show_float(float x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(float));
}

void show_pointer(void *x) {
    show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(void *));
}

第 6 週課程教材

在Linux 核心設計: 不只挑選任務的排程器 (上) 中，想到下列問題：

• 排程器在 response 與 throughput 間往往無法兼顧，但如果 throughput 夠高，為何無法同時滿足 response 的需求？
  • throughput 不可能無限大，如遇到運算量過大的任務，將造成其他任務沒辦法在需求時間內被執行。
• 投影片中提到 Processes may belong to various process groups ，此設計的用途為何？ process group ID 也是使用 link-list 的方式紀錄在 process 中嗎？
• How containers use PID namespace to provide process isolation使用多個 terminal 示範PID Namespace 提供各個 session 間的隔離機制，為何開啟多組 terminal 就可以觀察到 root PID namespace 的相關隔離機制？且最先開的為 root PID namespace ？
• 在 Linux 核心中 process switch 與 context switch 的差別？

課程期末專題

0. Trusted Firmware-A (TF-A)
   工業 4.0 的興起，使物聯網 (IOT) 技術被廣泛應用於各式情境，但背後的資訊安全仍未有標準。 Arm 針對自家 A-Profile 架構處理器推出的韌體架構，目的在於提供安全的運算平台，共提供四大類安全性功能，與 PSA Certified 安全性認證方案，以增加使用者信心。

• 防禦執行
• 隔離
• 共同平台安全性服務
• 標準安全性 API

ARM 架構安全性功能

閱讀前人的研究成果，若同樣使用 Raspberry Pi 作為實驗平臺，待確認可滿足系統啟動流程分析需求的 JTAG 規格。

1. 重做 lab0 並彙整學員成果
   為了這堂課特地買了新電腦，好不容易完成環境架設後，第一件事情竟是急著實作 queue 操作，而沒有靜下心來把 Valgrind 、網頁伺服器與指定論文研讀完，第一週就這麼草草開始感覺不踏實。

幻滅是成長的開始

2. Trusted Firmware-A 及 Linux 啟動流程分析
   我對嵌入式系統的應用十分感興趣，在評估要為這堂課買哪台電腦時，有看上 Raspberry Pi 5 ，當時苦於 mouser 價格親民但交期太長，且不確定硬體規格是否可以滿足課程實驗所需，就選擇一般的筆電來旁聽課程一同學習 Linux 系統。工業 4.0 與設備智慧化的趨勢，感測、遠端監控與遠端控制模組需求急速增長，在軟體開發過程中就須考量到系統可靠度與資安風險等相關議題。

https://trustedfirmware-a.readthedocs.io/en/latest/plat/qemu.html
https://lnxblog.github.io/2020/08/20/qemu-arm-tf.html

3. 並行程式設計
   去年看到羅習五老師在 ptt 八卦板上的文章覺得驚為天人，透過修改 glibc 和 Linux kernel 把多核 CPU 壓榨出更多性能。在運算平台的核數不斷增加的現在，也希望自己能夠撰寫出具備 scalability 的程式，有了更多的資源不就是要能夠做更多的事嗎？

Re: [新聞] 中正資工新技術助電腦效能大躍進 獲「系統界奧斯卡」肯定