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# OS Services

# User Interface

  • CLI (Command Line Interface)
    • Command Interpreter / Shell
      • 不屬於 OS，打的指令不是直接交給 OS 而是交給 Shell，方便使用者使用指令
      • 一台電腦根據每個使用者的喜好不同，可以做一些客製化的調整
    • Text-based interface
    • Examples: Bash, Zsh, PowerShell
    • 下指令的介面，允許使用者透過文字指令與系統互動
    • 優點：靈活、資源消耗低
    • 缺點：學習曲線較陡峭，不適合初學者
  • GUI (Graphical User Interface)
    • Visual-based interface
    • Examples: Windows, macOS, GNOME, KDE
    • 允許使用者透過圖形元素如視窗、圖示和選單與系統互動
    • 優點：使用者友善、直觀、適合初學者
    • 缺點：資源消耗較高，對進階任務的彈性較低

多數系統兩者兼具備

# Communication Models

這裡的 Communication 指的不只是 Process 與 Process 之間，也可以是跨電腦的 level
不管是哪種，我們都可以透過 memory 的使用把 Communication 切成 Message Passing 和 Shared Memory 兩種方式

# 還有以下幾類核心服務：

  • Program Execution
    最基本的服務。OS 負責載入並執行程式，並在程式結束後釋放資源，確保使用者或應用程式能在系統上運行
  • I/O Operations
    提供輸入 / 輸出操作的介面，例如讀取鍵盤輸入、顯示螢幕輸出、存取磁碟檔案。這些都需要透過 OS 的系統呼叫來完成
  • File-system Manipulation
    管理檔案系統。包括建立、刪除、讀取、寫入檔案，以及目錄的操作。OS 提供一致的介面讓應用程式能方便地操作檔案
  • Error Detection
    OS 會監控系統運作，偵測並回報錯誤，例如硬體故障、記憶體存取錯誤或程式執行異常，確保系統穩定性
  • Resource Allocation
    當多個程式同時執行時，OS 需要分配 CPU、記憶體、I/O 裝置等資源，避免衝突並提升效率
  • Accounting
    OS 會記錄資源使用情況，例如 CPU 時間、記憶體用量，方便系統管理者進行效能分析或計費
  • Protection and Security
    提供保護機制，避免程式互相干擾，並確保資料安全。包括存取控制、使用者驗證，以及防止惡意程式破壞系統

# OS-Application Interface

# System Calls

  • 由 OS 提供的 function call 為唯一的 interface，所以在 OS 上面會有一個 system call layer
  • 也是一種 Software Interrupt，這樣才能去改變 Mode Bit 進入 Kernel Mode
  • 為了效能，是使用 Assembly Language 所撰寫
  • 類型：
    • 行程控制 (process control)：abort, create, terminate process, allocate/free memory
    • 檔案的管理 (file manipulation)：create, delete, open, close file
    • 裝置的管理 (device manipulation)：read, write, reposition device
    • 資訊的維護 (information maintenance)：get/set time or date, get/set system data
    • 通信 (communication)：send receive message
    • 保護 (protection)：control access to resources

# API (Application Program Interface)

直接使用 System Call 很麻煩所以 User 的程式通常使用 API 而不是直接呼叫 System Call

  • 大部分的 API 都是使用 C 語言做成的 Library
  • API 有可能包含很多 System Call，也有可能完全沒有 System Call （方便使用，像是一些數學的計算如 abs ()

    因為不一定會用到 system call，所以 Call 了 API 不一定會進到 kernel mode，不一定會有 interrupt

  • 一些常見 API
    • Win32 API for Windows
    • POSIX API for POSIX-based Systems (UNIX、 Linux、Mac OS)
    • Java API for Java Virtual Machine (JVM)

# [補充] System Call 的參數如何傳遞給 OS?

在執行中的程式與 OS 之間傳遞參數有三種常見方法：

  • 用暫存器儲存這些參數
  • 將參數用表儲存在記憶體中，同時用一個暫存器記錄此表起始位址並傳給 OS
  • 利用 System Stack。要存放參數時將之 Push 到 Stack 再由 OS 從 Stack 中 Pop 取出參數

# OS Structure

  • 使用者目標：簡單使用、學習、安全、可靠
  • 系統目標：簡單設計、維護、有效率

# Simple OS Architecture

最早期的 OS 幾乎沒有架構，因為那時候最重要的是 User friendly，除了 Driver 與 OS 其它系統架構全部混在一起

  • 優點：開發快
  • 缺點：定義不清楚、不安全、不好維護
  • 例子：早期的 MS-DOS

# Layered OS Architecture

  • 使用由上而下 (top-down) 的作法，每一層只能呼叫比自己低層的服務
  • 底層 (第 0 層) 為硬體，最高層 (第 N 層) 為使用者介面
  • 優點：好 Debug、好維護
  • 缺點：
    • 效率較差，因為有 layer 可能會有很多 memory copy
    • 難去定義層，像是 Memory 可能也會 call 到 I/O

# Microkernel OS

  • kernel 的程式碼精簡化
    因為只要那些 code 沒有 bug 就好，比較 reliable
  • Modularize 的概念
    Kernel 只負責溝通不同 Module，Kernel 以外的全部在 User Space
  • 客戶端與各式服務以 message passing 通訊
  • 優點：容易擴展（加到 user space）、容易 porting（移植到其他硬體平台）
  • 缺點：系統功能增加而效能降低、processes 溝通需 interrupt 而較慢

# Modular OS Architecture（現大多採用）

  • 跟 microkernel OS 的差別：全部都在 kernel space，所以彈性比較高，至少溝通就不需要透過 message passing
  • 用到 object-oriented 的概念
  • 可載入的模組核心 (loadable kernel modules)：
    • 每一核心模組都有定義好的介面
    • 核心提供主要的服務，其他的服務則在核心執行時動態的被製作
    • 其他核心模組可在需要的時候被載入

# Virtual Machine


透過軟體模擬的機制，創造一份與底層硬體一模一樣的功能介面

  • 用處：
    • 兼容性
      有些軟體可能會有特定的執行環境，我們可以用 VM 來解決這個問題
    • 開發用
      如果用實機研究要一直重新開機，硬體也很有可能會壞掉，但如果用 VM 就沒這個問題了
    • honey bound
      當作 honey pot 讓外界攻擊… 再由原本的去觀察
    • 雲端計算
      一台機器會被切成很多台 VM 供大家使用，然後也方便管理
  • 優點：
    • 對於 OS 的測試與開發是一個很好的平台工具
    • VM 是孤立的，所以在 OS 的開發或測試過程中所引起的不當錯誤也不會對實體系統造成危害
    • 測試 OS 可在 VM 上執行而其它 User Program 仍可在其它的 VM 上正常運行不會中止
    • 提供完全的 Protection，使用者不會互相影響
  • 缺點：
    • 製作極為困難
    • VM 之間非常的孤立，所以不易溝通及資源共享。
    • 效能沒有真正的系統好

# Full-Virtualization

  • Guest OS 的程式碼完全不用動，可以直接裝在原本的 OS 上
  • OS 完全不會知道自己是裝在 VM 裡面，所以叫做 Full Virtualization

# Para-virtualization

  • 會多一個 global zone，通常叫 manager，他知道所有的 VM 的存在
  • 另外裝在上面的 OS (guest) 也需要被修改，好處是這樣就可以開一些後門了速度也不一定會比較慢

# Java Virtual Machine

  • Java 本身執行的方式就像執行在一個 VM 上，但因為只執行 instruction 所以相對單純
  • Java 編譯完後會有自己的 binary code，它不是 x86 也不是 misc，不是任何一個硬體的指令，它是 JVM 上的 bytecode
  • 有一些 Translation 上的優化，像 Just-In-Time (JIT) 記錄 Translation 過的 Instruction

# Ref Notes

  • Kipper’s Note
  • 933yee’s Notes
  • 陳品媛的筆記
  • Mr. Opengate. OS - Ch2
  • WillyWangkaa’s Note