# Ch6 Limited Direct Execution
本章講解作業系統如何透過 **Limited Direct Execution** 技術來有效地虛擬化 CPU。核心概念是讓使用者程式直接在硬體上執行以提升效率，同時藉由 **user space / kernel space 切換**與 **system call, trap** 等機制，讓作業系統保有對系統資源的控制權。此外，也探討了如何在多個 process 之間進行 **context switch**，以實現多工與公平使用 CPU 的目標。

## 6.1 Direct Execution
- 直接用 CPU 執行 program
- **目的**：
- 提升 program 執行效率
- 讓 program 得到最大的權限
- **基本流程**：
:::info
在後面的章節會講解更多
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- 先把 program load 進去 memory
- 執行每個 program 的 `main()`
- 執行完成後，Free memory
- **問題**：
- 如果沒有限制，program 可能會做出不合法的行為
- 作業系統無法**中止或切換**程式
- **解決方法**：
- 限制使用者程式的行為：讓程式執行時受限於作業系統的規範與保護

## 6.2 Restriced Operations
- **背景**：
- 為了防止使用者程式對電腦進行危險操作，必須限制其行為
- 但有時程式必須執行**受限的操作**（對硬碟的 I/O 請求、分配更多記憶體等）
- **解決方法**：
- 分出不同的執行模式

### User space and kernel space
大部分的作業系統都會把程式的執行權限分為 **user space(user mode)** 與 **kernel space(kernel mode)** 兩種
- **User mode**：受限權限，無法直接操作硬體
- **Kernel mode**：
- **可直接**操作硬體
- 可存取所有硬體資源

至於 **RISC-V** 架構中，可以分為三種模式：
- **User mode(U-mode)**： 無法直接操作硬體
- **Supervisor mode(S-mode)**：
- 可操作硬體
- 可執行**部分指令**
- **Machinde mode（M-mode）：**
- 可操作硬體
- 可執行**全部指令**

硬體實作可以根據需求，選擇不同的特權等級的組合：
- **M**：簡單嵌入式系統
- **M + U**：RTOS（Real Time OS）
- **M + S + U**：大多數 OS（Linux...）

### System call
使用者程式**無法自行改變權限** -> 必須使用 **system call** 才行
下方是使用過程：
- 程式執行 `main()`
- `trap()` ： User space ---> Kernal space
- 繼續執行程式
- `return-from-trap()` : Kermal space ---> User space
- 繼續執行程式

#### Trap
- 儲存狀態到 PC, registers 中
- 提升權限階級
- User space ---> Kernal space

#### Return-from-trap
- 重新儲存狀態到 Process
- 降低權限階級
- Kernal space ---> User space

## 6.3 Switch Between Process
:::warning
如果一個 process 一直霸佔 kernal space 而不做 return-from-trap 的話，OS 就無法重新取得 CPU 控制權
:::
為了解決 process 霸佔資源，我們使用以下兩種方法

- **合作式**：等待 system call
- 常用於早期 OS
- 預設程式會**自願交還權限**
- 呼叫 `yield()`
- 發生錯誤
- 如果遇到 zombie 將無能為力
- **非合作式**：Time Interrupt
- 系統程式自行設定 process 執行時間上限，時間一到 CPU 觸發中斷
- 觸發中斷後權限將自動回交給 OS

### Context Switch
:::warning
忘記可以去翻第四章
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OS 有權限從正在執行的 process 切換到另一個 process，這個過程稱為 **context switch**。

## 延伸閱讀
[DAY1: RISC-V: 大綱與特權模式](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10289289)