# Operating System Ch 1 - Introduction

[清大周志遠老師的課程錄影](https://www.youtube.com/playlist?list=PLS0SUwlYe8cxj8FCPRoPHAehIiN9Vo6VZ)的筆記。

contributed by <[`kaeteyaruyo`](https://github.com/kaeteyaruyo)>

## 什麼是作業系統？

* 電腦系統由以下四個元件組成
* **使用者 (User)**：可能是人、機器，或是其他使用者
* **應用程式 (Application)**：利用計算資源來解決人類問題的那些軟體
* **作業系統 (Operating System)**：負責**控制**與**協調**硬體資源應該怎麼被應用程式使用的軟體
* **硬體 (Hardware)**：也就是計算資源，如：CPU、記憶體、I/O 裝置
* 一支程式要在一台電腦上運作，必須經過以下流程
* 電腦要先裝有**硬體 (Hardware)**
* 安裝好硬體的**驅動程式 (Driver)**，驅動算是 OS 的一部份
* 驅動上面就是完整的**作業系統 (OS)**，負責統整不同硬體的驅動
* 作業系統會提供**系統函式庫 (OS interface / system call)**，給上面的應用程式呼叫，來使用硬體資源
* 開發者所寫的程式碼在編譯之後，還需要**連結 (link)** 上系統函式庫，才能造出一個能正確執行在電腦上的**應用程式 (Application)**
* 作業系統的各種定義
* 資源分配者 (Resource allocator)：負責公平且有效率地管理和分配資源的軟體。例如：記憶體管理器就是在分配記憶體、檔案系統就是在分配硬碟中的可存取空間、CPU 排程器就是在分配 CPU cycle 給各個程式
* 控制程式 (Control program)：透過驅動程式來叫各個硬體去做事情
* **核心 (Kernel)**：讓整台電腦可以正常運作的最核心的一支軟體程式（**「核心」是作業系統的別稱**）
* 從不同面向來看作業系統的工作就會有不同的稱呼，並沒有一個統一的定義
* 開發作業系統的目標
* **方便**：讓使用者可以很容易使用，特別是小型電腦/個人電腦的使用者
* **效率好**：可以用很少資源/很少時間完成運算工作，特別是為了大型、多人分享的電腦系統
* 方便和效率很多時候是**互斥的 (contrdictory)** 兩個要求，例如：為了讓使用者方便操作應用程式，我們發明了圖形化介面，但是圖形介面需要 GPU 運算才能渲染出畫面，反而會吃掉更多資源而拖慢效能。在過去電腦還很昂貴，主要用來進行科學運算時，為了講求效率，文字化介面反而是主流
* 作業系統為什麼很重要
* 因為它是應用程式和電腦硬體之間**唯一的溝通介面**
* 絕對不能有 bug，因為只要有 bug 整台電腦就會 crush 掉
* 控制 OS 的廠商可以控制上面的應用程式開發（因為這些應用程式被迫必須遵守 OS 提供的 API）
* OS 和電腦硬體架構的演進會互相影響，因為不同的硬體裝置有不同的需求（例如個人電腦和手機的硬體就差很多），OS 當然也需要因應硬體的需求去做調整
* 現代常見的作業系統
* [x86 架構](https://zh.wikipedia.org/wiki/X86)（複雜指令集電腦）
* Linux (CentOS, Redhat, openSUSE, Ubuntu, etc)
* Windows (Windows10, XP, 2000, etc)
* [PowerPC](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/PowerPC)（精簡指令集電腦、早期的蘋果在用的）
* Mac OS
* [ARM 架構](https://zh.wikipedia.org/wiki/ARM%E6%9E%B6%E6%A7%8B)（進階精簡指令集機器，用在大多數的智慧型行動裝置）
* Android（小知識：版本號常用甜點名稱）
* Windows 10 Mobile
* Ubuntu Touch（也支援 x86）
* 嵌入式裝置
* Embedded Linux (Android, WebOS)
* Windows CE
* [Raspberry Pi OS](https://zh.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi_OS)
* Xbox 有專用的 OS

## 電腦系統組織

* [**馮紐曼架構 (Von Neumann architecture)**](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%86%AF%C2%B7%E8%AF%BA%E4%BC%8A%E6%9B%BC%E7%BB%93%E6%9E%84)
* 一到多個處理器，以及其他裝置的控制器 (controller)，透過**匯流排 (Bus)** 連接，並**共享同一塊記憶體**
* 執行程式時，指令會由 CPU 載入並運作，指令所需的資料會放在記憶體當中，工作完成後這些資料可能會被寫入其他的 I/O 裝置
* 一台電腦上可能會同時有很多支程式同時運作 (concurrent)，各個程式共享記憶體，卻不能修改到彼此所佔用的記憶體的內容，這就是要由作業系統負責來協調的

### [**中斷 (Interrupt)**](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E4%B8%AD%E6%96%B7)

* 如下圖所示，當資料要從 I/O 裝置讀進程式裡面時，由於這些裝置的讀寫速度很慢，所以通常會先由裝置的 controller 把資料寫進緩衝器 (buffer) 裏面，再由 CPU 下指令把 buffer 裡的資料載入記憶體
* 因為 buffer 大小有限，然後 I/O 裝置很慢，所以當 CPU 要讀寫 buffer 裡的資料時，他要先確定現在 I/O 那邊到底把 buffer 寫滿/清空了沒，因此會有一個**狀態暫存器 (status register)** 表示現在 buffer 的狀態
* **Busy waiting**: 早期 CPU 得知 buffer 能不能讀寫了沒的方式，就是透過一個 while 迴圈一直去讀狀態暫存器的值，直到讀到 ready 的值才去做讀寫的動作。這種作法某種程度上就是讓 CPU 在浪費時間，因為用 while 去讀狀態的時候 CPU 就沒辦法去做其他有意義的事
* **Interrupt I/O**: 現代的 OS 都是透過 event driven 的方式改變 CPU 的執行流程 (flow)，也就是在 CPU 做某件事的時候突然把他打斷，叫他去做另一件事情，做完之後要有辦法讓 CPU 把狀態回復，回去做剛剛在做的事
* 透過中斷， CPU 的使用效率會變得更高，因為他不需要花時間去等待那些要做很久的事情，只需要在 I/O 裝置 ready 的時候分配一小段時間去處理跟搬運資料有關的事就好了
* 根據中斷的產生來源，可以分成以下兩種：
* **硬體中斷 (Signal)**
* 透過硬體產生訊號叫 OS 去做事情
* 每個硬體發出的訊號會有一個編號，對應到寫死在主記憶體裡面的**中斷向量 (interrupt vector)**，裡面會紀錄負責處理該中斷的函式的 function pointer
* **軟體中斷 (Trap)**
* 軟體自己觸發中斷（可能是因為有 Error 或是有需要用到硬體的 system call 等原因）把自己這個程式暫停，叫 OS 去做事情
* 軟體中斷發生時，程式執行流程會掉進 OS 某處定義的 **switch-case** 去找要負責處理該中斷的函式（因為軟體有無限的可能性，沒辦法用固定大小的燒死的 array 來紀錄）
* 中斷發生時，OS 要負責把 CPU 當前工作的狀態（program counter 的值、return address 等）紀錄下來，以便稍後中斷完成可以回去做原來的工作
* 為了避免多個程式互相一直中斷對方，作業系統會在已經被中斷的情況下**無視**其他所有的（或是優先度較低的）中斷，確保系統處理中斷的速度夠快

### 儲存裝置架構 (Storage-Device Hierarchy


* 電腦在儲存資料時採用的是**階層式的 (Hierarchical)** 架構
* 記憶體以上（含記憶體）：愈上面的速度愈快、空間愈小、價格愈貴，電腦關機之後就沒了
* 記憶體以下：愈下面的速度愈慢，空間愈大、價格愈便宜，電腦關機後資料還在
* 儲存裝置從上到下大致可分為以下幾層：
* **暫存器 (register)**：存在於 CPU 或 controller 當中，速度最快
* **快取 (cache)**：最接近處理器的儲存空間，現代電腦架構通常會有多層快取
* **主記憶體 (main memory)**：連接所有處理器的儲存空間，也是 CPU 可以直接存取的最後一層空間。快取和暫存器中的資料都只是為了加速而存在的複本，所有資料都要以主記憶體的內容為準
* **硬碟 (Disk)**：空間最大，但是讀寫最慢的儲存空間，也被稱為**次要儲存裝置 (secondary storage)**
* **隨機存取記憶體 (Random Access Memory, RAM)**
* 主記憶體以上的儲存裝置大多是以 RAM 製成的
* RAM 是一種**揮發性記憶體 (Volatile memory)**，斷電後資料就會消失
* 其特色為不論存取記憶體中的哪一個位址，**存取速度都是一致的**
* **動態隨機存取記憶體 (Dynamic RAM, DRAM)**
* 由**一個**電晶體構成，因此比較便宜
* 比較省電
* 當中的值會週期性地更新 (refreshed)
* 存取速度: >= 30 ns，速度較慢
* **靜態隨機存取記憶體 (Static RAM, SRAM)**
* 由**六個**電晶體構成，因此比較貴
* 比較耗電
* 存取速度: 10 ns ~ 30 ns
* 用來製作快取或是暫存器
* 硬碟的運作機制
* **傳統硬碟 (Hard Disk Drive, HDD)** 由很多層的磁碟轉盤組成，主要有以下結構
* **磁頭 (Head)**：每一個磁盤都會有兩個，可以在正反兩面讀取資料
* **磁區 (Sector)**：磁盤上用來儲存一份資料的最小單位，**每一個磁區的儲存容量是一樣大的**，但因為磁碟的內圈和外圈半徑不同，在各磁區的弧度相同的情況下，內層的磁區會比較寬，外層的磁區會比較窄
* **磁軌 (Track)**：在一片磁盤上**同樣半徑的**磁區所形成的同心圓儲存區域。磁頭不需伸縮，只要磁碟轉一圈就能讀取完一整個磁軌。每一圈磁軌中有的磁區數量都是一樣的
* **磁柱 (Cylinder)**：不同磁盤上同樣半徑的磁軌組成的圓柱體
* 一個硬碟的儲存容量是：**磁區容量$\times$每磁軌的磁區數量$\times$每磁碟的磁軌數量$\times$磁頭的數量**
* 傳統硬碟讀取資料的速度是以下三者的總和
* **找尋時間 (Seek time)**：把讀寫頭**伸縮到**資料所在**磁軌**上所需的時間，一般來說這是最耗時的部份
* **旋轉時間 (Rotational latency)**：讀寫頭定位到正確磁軌後，把磁盤**旋轉到**正確**磁區**所需的時間，跟硬碟轉速有關
* **傳輸時間 (Transfer time)**：資料大小 / 傳輸速率
* **固態硬碟 (Solid-state drive, SSD)** 以快閃記憶體製成，存取資料的方式比較接近主記憶體，不需要磁頭旋轉的動作，所以速度比傳統硬碟快上 200 倍
* 固態硬碟的優勢在於隨機存取的速度比傳統硬碟快，適合用來存放需要不斷跳轉存取位置的作業系統程式；而傳統硬碟在讀取連續的磁區時速度並不會比固態硬碟慢上多少，且壽命又較固態硬碟高，適合用來存放使用者資料
* **快取機制 (caching)**
* （很熟了）

## 硬體保護 (Hardware Protection)

* 不是指資安 (Security) 的保護，是在講說一台電腦上同時有很多使用者在共用資源時，為了讓各個程式不會互相影響到對方，所需要進行的保護措施
* Dual-Mode Operation
* 雖然我們在邏輯上把 OS 的程式和一般的使用者應用程式當成兩種有不同權限的程式，但是實際上這些程式在 CPU 眼中都只是在執行指令，沒辦法從指令裡面看出現在是在執行 OS 程式還是一般的使用者程式
* 為了不讓使用者執行的程式有能力跳過 OS 去操作電腦硬體，造成天下大亂，我們透過在硬體上面設計一個[**模式位元 (mode bit)**](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E7%8A%B6%E6%80%81%E5%AD%97) 來讓 CPU 知道現在電腦是 OS 丟下來的指令還是一般使用者丟下來的指令
* **User Mode (1)**: 使用者程式的模式
* **Kernel/Monitor/System Mode (0)**: OS 的模式，
* 當 CPU 要去執行**特權指令 (Privileged instructions)** 時，會先去確認模式位元的值，如果現在不是在 kernel mode 的話，就不給執行
* 由於所有 OS 的程式都需要透過中斷的方式執行（無論是硬體中斷還是系統呼叫），因此中斷發生時電腦第一個動作其實就是去翻轉模式位元的值

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