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title: Ch1:Introduction
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# 作業系統Ch1: Introduction
###### tags: `Operating System` `Review` `Ch1`

## Computer System
computer system 分成四個 components
* Users: 人、機器、其他電腦
* Application: 定義系統資源用來解決電腦問題的方法
* Operating System: 控制 (controls) 和協調 (coordinates) 硬體/資源的使用
* Hardware: 提供基本運算資源。(CPU、memory、I/O devices)

作業系統比起控制(給資源)，更重要在於協調(因為作業系統中絕對不只有一個程式同一時間在跑)。


### What is an Operating System?
作業系統是一個永久軟體(載入記憶體中)對於使用者應用程式控制 (controls) / 抽象化 (abstracts) 硬體資源。
抽象化比較接近 control 那一塊。

### Multi-tasking Operating Systems

透過 OS 提供的 API，不同 User Applications 可以 go through OS，這時候 OS 就可以分配、實現這些動作 (instructions)，也就是在一個 time slot 要給哪一隻程式(如有兩隻程式都要做這個指令)，在做 coordinate 的動作。


### General-Purpose Operating Systems

碰到不同的 I/O ，需要不同的 driver 去控制 (part of OS)。
OS 就是提供多樣 API ，也就是在圖中的 System library (call) 內。
透過 Compiler 去產生 machine code(.o file)，接著 linker 連接 System library (人家寫好，拿來用的)，最後才成為真的能執行的執行檔。
也有可能是先連接到 C library ，而 C library 中需要 System library，所以間接的連接到 System library。


System API 是一組介面，允許 user applications 和作業系統溝通，而無需了解底層實作細節。
API 為 general-purpose 而設計，而非效率驅動為導向的。

### Definition of an Operating System
* 沒有普遍接受的定義

* Resource allocator: 管理和分配資源去確保效率和公平。
* Control program: 控制使用者程式的執行和 I/O device 的操作來避免錯誤和電腦不正確使用
* Kernel: 一隻總是在 running 的程式。

### Goals of an Operating System

* Convenience: 使電腦易於使用和計算。
* Efficiency: 以有效率的方式使用電腦硬體

兩個目標經常是背道而馳的，例如大型電腦傾向於不用 GUI，節省資源達到更好效率，但是不方便使用；小型電腦傾向於安裝 GUI，給使用者帶來方便，但是增加正在跑的程式，效率降低。

## Computer System Organization

CPUs 和 device controllers 連接透過可提供 access 到共享記憶體的 common bus
Goal: **Concurrent** execution of CPUs and devices 競爭 memory cycles。

### Computer System Operations

CPU 要對 Device 做動作 (e.g.,讀寫資料)，CPU 必須先寫入 buffer，因為 I/O device 很慢，如果沒有 buffer 會造成 CPU idle。
* Status Reg: 有無進行I/O，沒有就是idle。
* Data Reg: 透過Data Reg寫入Buffer資料。
* Device Controller: 本身有簡易 CPU，可以去控制 I/O 動作，所以 CPU 不需要額外下指令。
* Memory: 因為 Memory 是 CPU 在使用的，所以後面這塊 Bus 的 Memory 一定要透過 CPU 下指令。


Busy/wait output

#define OUT_CHAR 0x1000 // device data register
#define OUT_STATUS 0x1001 // device status register
//要寫入到I/O devices 但是buffer有限，必須要清空才能再寫
current_char = mystring; 
while (*current_char != '\0') { //結尾字元
    poke(OUT_CHAR,*current_char); //poke就是寫到buffer，然後寫出到 I/O device。
    // I/O 速度比 CPU 慢很多，所以必須要檢查 Buffer 是否滿了，如果滿了的話，
    // 等到 buffer 寫到 I/O device 上，清空後再寫下一批。
    while (peek(OUT_STATUS) != 0); // busy waiting
    current_char++;
}

Busy/wait 非常缺乏效率，因為當 CPU 正在檢查 device 時，它不能做其他工作
；難以同時進行 I/O (非real-time)

### Interrupt I/O
Interrupt 允許 device 改變 CPU 執行 (control) 的 flow
* 事件驅動

當傳輸結束時 (可能是 buffer 滿了)，發出一個 interrupt 把 CPU 打斷，CPU 直接切換到 subroutine (可能是 OS 提供的一隻小程式)去處理搬資料這件事情，搬完之後又可以回去處理原本程式。


> When the CPU is interrupted, it stops what it is doing and immediately transfers execution to a fixed location. The fixed location usually contains the starting address where the service routine for the interrupt is located. The interrupt service routine executes; on completion, the CPU resumes the interrupted computation.

1. device driver 會知道是採用 interrupt 的方式，initiate I/O。
2. CPU 會下指令給 Controller，讓 Controller 搬移資料(給予要搬的資料長度)。
3. 在資料搬移期間不需要找 CPU，而是完成後通知 CPU，產生 interrupt signal，告訴 CPU 這資料在 Memory 某一位置。
4. CPU 收到 interrupt，打斷正在執行的程式(B)，可能切換到另外一隻程式 (I/O 動作的 A)，看 scheduler 安排。
5. interrupt handler 會 make sure 剛剛 I/O 動作做完，讓 A 狀態成為像是剛做完 I/O 的狀態，這樣 A 跟 B 都變成可以執行。
6. 恢復，處理被打斷的工作。
7. 做完之後，再繼續執行下一個 I/O 的動作。


### Interrupt
所有作業系統都是 interrupt driven

* Hardware may trigger an interrupt at any time by sending a signal to CPU
任何 device 產生的 interrupt，只要不是使用者程式指令所產生的，稱作 **signal**。
* Software may trigger an interrupt either by an error (division by zero or invalid memory access) or by a user request for an operating system service (system call)
當 OS 偵測到 error 時，開始送一個 interrupt，處理 error 狀況，至少 reset 到可以有 messaging 的地方，不會繼續執行下去，因此也不會讓系統到 crash。
呼叫 system call，全部透過 interrupt 方式，OS 接受後會去看對應到哪一個 subroutine，再去 handle。
Software interrupt 稱作 **trap**。

**HW Interrupt**
被動
* Interrupt vector 是一個 array ，其實就是一個 array of function pointers。因為每一個 function call 的大小不同，所以把 define 好的 signal 給予每一個一個欄位，裡面只是 4 bytes 的 function pointer。

* Signal 裡面會有 number，這樣就可以知道是哪一個 function call 要去 handle。

* 處理 function call 的 service 稱作 service routine。


**SW Interrupt**
主動
* software 是用 switch-case ，因為軟體是無限可能性，取決於作業系統 define ，所以這些 call 的數量是 unbounded
* 流程基本上與 HW 相同


- **不論是 SW/HW，Interrupt architecture 必須要記住被打斷的指令位址。**

- **Incoming interrupts are *disabled* while another interrupt is being processed to prevent a lost interrupt**
不禁用的話，一直中斷也會有 overhead 過大。
確保 OS 速度可以夠快，跳開 Synchronization 問題。

## Storage-Device Hierarchy

最傳統、標準的階層

依 speed、Cost、Volatility 分層

- Main memory – only large storage media that the CPU can access directly
- Secondary storage – extension of main memory that provides large nonvolatile storage capacity

RAM 分 DRAM、SRAM。

| | DRAM | SRAM |
| -------- | -------- | -------- |
| need| one transistor| six transistors|
|Consume |less power|more power|
|value| periodically refreshed| x|
|access speed|>= 30ns|10ns~30ns|

### Disk Mechanism

- Transfer time = data size / transfer rate
- Positioning time (random access time)
- seek time (cylinder) + rotational latency (sector)

當資料是 Sequential 時，HDD 並不會輸給 SSD 太多。

### Caching
- Information in use **copied** from slower to faster storage temporarily
用到頻率越高會 cache 到越上層。
- Faster storage (cache) checked first to determine if information is there
- 如果有，直接從 cache 使用
- 如果沒有，資料複製到 cache 而且 used there

### Coherency and Consistency Issue (不一致性的問題)
- The same data may appear in different levels
最上層和下層可能值會因為改變而產生不一致。

- Single task accessing: 沒差
- Multi-task accessing: 有問題，需要獲得最新的值。
- Distributed system: 問題更大。

## Hardware Protection
### Dual-Mode Operation
- **What to protect?**

- Sharing system resources requires OS to ensure that an incorrect program *cannot cause other programs* to execute incorrectly.
- 提供 hardware support 區分至少兩種 modes of operations.
1. User mode – execution done on behalf of a user
2. Monitor mode (also kernel mode or system mode) - execution done on behalf of **operating system**
(其實是使用者透過 System call 叫 OS 去做)

- Mode bit 加入電腦硬體去指明現在 mode: kernel (0) or user (1)
- When an interrupt/trap or fault occurs, hardware switches to monitor mode.
- Privileged instructions (只要會影響到其他人的指令就是特權指令)
- Executed only in monitor mode
- Requested by users (system calls)

只能透過 System call 去做，送到 CPU 會去 Check mode bit，一看到是 user mode，不是 kernel mode，就會告訴 OS，會被擋掉產生 segmentation fault。

### I/O Protection
- **All I/O instructions** are privileged instructions

- 確保一個使用者程式在 monitor mode 時下不能獲得電腦控制權。也就是，作為使用者程式執行的一部份，使用者程式在 interrupt vector 中「不能」儲存新 address，否則在 interrupt vector 儲存新值(實際上是 a function pointer point to a function)，可能就有指向到 malicious code (user code) 的風險。

- 資安 issues
- e.g., buffer overflow。

### Memory Protection
* Protect
- Interrupt vector and the interrupt service routines
- 資料存取和從其他程式的 overwrite
* HW support:
- Base register: 擁有最小合法物理記憶體位址
- Limit register: 包含範圍的 size。
* 在這段範圍記憶體外的空間是受保護的。
### Hardware Address Protection

### CPU Protection
- 避免使用者程式霸佔 CPU
- getting stuck in an infinite loop
- not calling system services
- HW support: **Timer** —interrupts computer after specified period
- Timer 隨時脈週期遞減
- 當 timer 值為 0 時，interrupt 發生
- Timer commonly used to implement **time sharing**
- **Load-timer** is a privileged instruction. (改變Timer長度)

## Ref

[1] [上課影片 link](https://www.youtube.com/playlist?list=PLS0SUwlYe8czigQPzgJTH2rJtwm0LXvDX)
[2] [投影片 link](https://ocw.nthu.edu.tw/ocw/index.php?page=course_news_content&cid=141&id=999)