# What is an Operating System?

一個特別管理電腦硬體與軟體資源的系統程式。

Permanent Software：電腦啟動後永遠存在，沒有它電腦就不會運作
Abstracts 硬體資源：把底層的各種資源變成一堆 API 給使用者方便使用

OS 主要功能 / 系統觀點
- 資源分配者 (resource allocator) manages 和 allocates resources 來確保公平性和效率
- 是一套控制程式 (control program) 監控使用者與程式的行為防止不正常的運作造成對系統的危害
目標 / 使用者觀點
- 提供一個方便使用的環境
  ex：PC
- 有效率地使用電腦資源
  ex：大系統，多使用者系統
OS 的重要性
- 是 user program 和 hardware 之間唯一的 interface，一定需要經過它
- 一旦 crash 掉整台電腦就掛了，要求絕對不能有 bug

# 電腦的基本架構

由 Hardware、OS、Application、User 組成

User：people、machines
Application：使用 system resources 來解決問題的方式，像是各種軟體
Operation System：controls 與 coordinates 資源的使用
Hardware：提供基本的計算資源（CPU、memory、IO devices）

# General-Purpose Operating Systems

例子：user 呼叫 printf -> printf 呼叫 system call -> system call 呼叫 driver…

# Multi-tasking Operating System

管理資源與程序讓多個使用者程式使用
提供 API

# Computer-System Organization

一個或多個 CPU、Memory、IO Device 等連接一個共同的 Bus
存取共同記憶體。I/O 裝置和 CPU 可以同時執行並競爭記憶體
作業系統負責 Control 和 Coordinate
發生一個事件時，由硬體或軟體產生中斷來通知。近代的作業系統是中斷驅動 (Interrupt Driven)

# Device Controller (Hardware)

每一個 裝置控制器 (Device Controller) 負責一個特定型態的裝置
Status reg：記錄現在 device controller 是 busy 還是 idle
Data reg 和 buffer：用來存資料
- CPU 下指令後，裝置控制器就能夠去 access disk 資料到自己的 local buffer
- 會先寫到 reg 再寫到 buffer
Memory 是 CPU 在用的，所以 CPU 負責移入 / 移出 memory 的資料到 Device Controller 上的 local buffer
由於 Device Controller 上的 Buffer 空間是有限的，因此會需要用一些技巧來解決，像是 Busy/wait、Interrupt

# Busy/wait output

讀資料時 I/O Device 需要先和 Device Controller 做 I/O，跟 cpu 無關
但是後面因為 memory 是 cpu 在使用的，所以後半段的操作就需要 cpu 去下指令操作

那麼 cpu 那邊要怎麼控制呢？
一個早期大家想到的最簡單的方法就是 Busy Waiting，完全由 cpu 來控制，這邊舉個簡單的例子：

目標：把一串字串寫到 I/O Device 上，
挑戰：因為 buffer 空間大小，cpu、memory 的速度太快，不可能將資料一次性全塞進去
方法：如果 buffer 寫滿了就等到 buffer 寫到 Disk 上，清空後再寫下一批
缺點：中間花一段時間在等 buffer 清空，也就是 cpu 有某種程度的 idle，整個效率會很差

#define OUT_CHAR 0x1000 // device data register
#define OUT_STATUS 0x1001 // device status register

current_char = mystring;
while (*current_char != '\0') {
  poke(OUT_CHAR,*current_char); //  buffer
  while (peek(OUT_STATUS) != 0); // busy waiting
  current_char++;
}

while ( *current_char != '\0')
檢查字串是否結束
while ( peek( OUT_STATUS ) != 0 );
因為怕 buffer 還沒清空，是 busy 的狀態，所以會需要一個 while loop 去檢查 Status Register 的值：
- 如果 status register 的值不是 0，表示 buffer 還是 busy 狀態，cpu 就會一直等在這邊
- 直到 status register 的值變成 0，表示 buffer 空了，cpu 才會繼續往下執行

# Interrupt I/O

Interrupt 的處理流程：

作業系統收到後，若該處理為必要時，則作業系統會暫停目前 Process 執行，且保存其「Status」、「Register」（Context switch）
作業系統會依據「Interrupt ID」（Interrupt number）查詢「Interrupt Vector」以確認何種中斷被觸發，且找出其「Interrupt service routine」（ISR）在記憶體的位置
在處理器中的指令會跳至該服務程序位置，執行「Interrupt service routine」
完成「Interrupt service routine」後，將控制權返回給 Kernel
作業系統恢復（Resume）中斷之前 Process 的進行。

小備註：

ISR (Interrupt Service Routine)：中斷服務常式，當中斷發生時，系統會跳轉到這段程式碼來處理中斷事件

Interrupt Vector：含所有 service routine 的 address (function pointer)，儲存各種中斷對應的服務常式位址

Context Switch：當中斷發生時系統需要保存當前程式的狀態，以便中斷處理完成後能夠恢復執行

在處理一個 interrupt 時禁止傳入其他 interrupt，以防 lost interrupt

# Hardware Interrupt (Signal)

時機：硬體任何時間都能發出信號給 CPU
特點：
- signal 都會有一個 singal number，根據這個 number 去找 vector 上的欄位
- 每個 port 的 hardware 有燒死的 singal number
  裝 driver 的時候會 overwrite 那個欄位 fucntion pointer 的位置，去執行你要處理的程式碼
Interrupt Service Routine

# Software Interrupt (Trap)

時機：
- （主動）user 對 OS service 的 request (system call)
- （被動）軟體發生 error (segmentation fault、除以零…)
特點：
- 用 switch case 而不是 array，因為軟體有無限的可能性，可以任意定義各種不同的 system call
- 根據 system call 的 number 去找尋對應的 function call，不過流程差不多
Interrupt Service Routine

# Storage-Device Hierarchy

這是最傳統的架構，現在有很多其他的 storage device 會插在中間
真正的大型的系統最後還是用 tapes，因為非常 reliable，不太容易壞，而且很便宜

考量點：speed, cost, volatility

volatile 關掉會遺失（memory 以上全部都是 volatile）
Storage Structure：
- 主記憶體 (main memory)
  - CPU 能夠直接 access 的唯一大型的 storage
  - 例如：RAM（Random Access Memory）
- 輔助記憶體 (Secondary storage)
  - memory 以下都叫做 secondary storage，代表 CPU 沒辦法直接讀取
  - 是大型的 non-volatile storage
- 快取 (Cache)：
  - 使用中的資料暫時從較慢的存儲複製到較快的存儲
  - coherency (連貫性) & consistency (一致性) 議題
    若對上層的資料做了修改沒有更新到下層的資料，這時候兩邊的資料會不一致
    必須保證任何一處的資料都一樣，否則就要保證 user 能找到最新的
    - Single task accessing：都用最上層的資料基本上沒問題
    - multi-task accessing：需要處理大量這類的問題
    - distributed system：更加複雜，因在不同電腦上且還要考慮到網路

# Random-Access Memory (RAM)：

SRAM (Static RAM)
- 需要六個電晶體
- 消耗較多能量
- 讀取快
- 應用在快取
DRAM (Dynamic RAM)
- 需要一個電晶體
- 消耗較少能量
- 體積小，速度比較慢
- 資料要定期更新
- 應用在主記憶體

# HW Protection

指很多程式在執行或是很多使用者在執行時，不會影響彼此

# Dual-Mode Operation

OS 把影響重大的指令設為 ** 特權指令 (Privileged Instruction)** 以保護重要的資源，需要 Kernel mode 才能執行
需要硬體的額外支援，用一個 Mode Bit 記錄權限
Mode bit 被加到 HW 表示現在是什麼 MODE，如 kernel (0) or user (1)
User Mode (Mode Bit==1)：一般模式
Kernel Mode (Mode Bit==0)：在此模式下才有權利執行特權指令
特權指令的種類：
- I/O 指令
- 與記憶體管理有關的暫存器之修改指令
- 與 Timer 設定有關的指令
- Enable/Disable 指令
- 系統停止指令
- 從 user mode 改變到 kernel mode 的指令

# I/O Protection

與 I/O 有關的 instruction 全都都是 privileged instructions ，因為 I/O 的資源是 share 的
像螢幕輸出都是同一個螢幕，硬碟儲存也是同一顆硬碟
其實還是有些漏洞，就算沒法繞過 I/O 但是可以繞 memory
像透過合法的 I/O 流程去修改原本應該要執行的函式讓它執行我們想要的事

# Memory Protection

保護以下
- Interrupt vector & the interrupt service routines
- 別的程式的資料存取和覆寫
保護的方式
- Hardware Support
  使用兩個 register 來記錄能夠讀取的記憶體區間
  - Base register：儲存實體記憶體的位址，剛好指向虛擬空間的開頭
  - Limit register：儲存整個虛擬空間的大小
- 定義範圍外的 memory 是被保護的，超過這段空間會有 Segmentation Fault

# CPU Protection

阻止某隻程式霸佔 CPU 無法歸還給作業系統，像是無窮迴圈
方式：Time sharing（有 Timer 計時）
1. Timer 慢慢減少，當變成 0 時會送出 Interrupt
2. 打斷原本的 Process 並執行 OS 的 Scheduler，控制權就會回到 OS
3. OS 再決定是不是要繼續剛剛的 Process
Load time 到 register 的 instruction 也是 privileged instruction，只有 OS 可以調整 Timer 數的時間