Overview#

What OS do?#

User View & System View#

User view

• Resource Utilization
• Ease of Use
• Security
• Interface

System View

• Control Program
• Resource Allocator

Definition of OS#

• 很難定義
• Kernel: All time running program on the computer
• System Program: By system, but not all time
• Application Program
• Middleware: 軟體衍生結果，有一些 service 可以讓 developer called，更方便點

Computer-System Organization#

通常一台電腦都會有

• Bus: 連接 CPU, device controllers, share memory
• OS 通常有 Device Driver，是一種 protocol

Interrupt#

• Device Controller: 在 device 方接收 Driver 指令
  • 負責通知 Driver 資料傳輸完成
  • 把 Device 要傳送的資料 Buffer 起來（有一塊小小的 local buffer）
• Driver 先把 control 給 OS 的其他部分
  • read: return data/pointer
  • return status
• Hardware 會 trigger interrupt by sending signal to CPU (By bus)
  • 這裡的 signal 是硬體上的「電壓變化」而不是 Unix kernel signal
• Interrupt vector: 紀錄要跳到哪裡

Step

1. CPU 收到後，會馬上轉換執行某個動作（存在某個 fixed location）
2. 存下剛剛停下的地方
3. 執行 ISR (Interrupt service routine)
4. CPU 回覆原始狀態

• I/O request 後控制權到 I/O Device 上
• I/O 結束後發送 CPU 被 Interrupt 後會先打斷 User Program 去執行 ISR
• 執行結束後回覆 User Program

Interrupt-handler routine

• CPU 會有 Interrupt Request line，分成 Non-maskable 跟 maskable
  • CPU 做重要的事情不可被打斷
• Interrupt Chaining (link list) 可以串連 interrupt vector，可以做搜尋
• 會有 Interrupt Priority level

Storage Structure#

Main memory#

• 也叫做 Random access memory (RAM)
• 最常見的是 DRAM (dynamic)
• RAM 是有揮發性（易變）所以有另一種不揮發（nonvolatile）的硬體來存一些重要、且不用寫入操作的記憶體
  • 用來啟動 OS 的 bootstrap program 會存在 Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM)

By von Neumann architecture

Secondary and Tertiary Storage#

• Main memory 通常比較小而且 volatile
• Secondary Storage
  • Hard Disk Drive (HDD)
  • Non-volatile Memory (NVM) Device
• Tertiary Storage
  • CD, Blu-ray, 磁碟

Direct Memory Access#

• I/O Management 是 OS 一個很重要的問題
  • I/O Interrupt 在小的 device 上可以運行的很好，但當 data 體量變大就會產生 overhead
• Direct Memory Access (DMA)
  • Controller 先做 buffer 等到累積一個 block 之後再給 CPU 去 Interrupt
  • 在此期間 CPU 可以做自己的事
  • 不需要 CPU 參與，可以讓 Device 自己去 access

  [!Tip] 有些 high-end system 會用 switch 而不是 bus architecture，DMA 在此情況更有效率

Computer-System Architecture#

• Single Processor Systems
• Multiprocessor Systems
  • 在現今的系統內比較重要

• 可以用不同 CPU 控制也可以用不同 core 控制
• Cluster Systems

Operating System Operation#

• Bootstrap program
  • 找到 kernel 的位置
• System daemons
  • 不算在 kernel 裡面
  • 一種 service，幫助 Application program 使用 OS service
• Interruption
  • Hardware interrupt (電壓)
  • Software interrupt (Exception or Trap)
    • Software error: Division by zero (自己寫特判)
    • System Call

Multiprogramming & Multitasking#

• Program 執行中叫做 Process（Program 只是 pattern）
• Multitasking 只是一種 logical 的概念
  • CPU switch 的非常快

Dual-Mode & Multimode Operation#

• OS defined code & User defined code
  • Kernel mode & User mode
• Mode bit
  • 用 system call 做到更改

• Privileged instruction: 有些指令 hardware 只讓在 kernel mode 的 process 執行

Timer#

• 以時間來控制 interrupt

Resource Management#

• Process management
• Memory management
• File-system management
• Mass-storage management
• Cache management
• I/O system management

Protection and Security#

• Protection: 不讓別人 access 某些地方
• Security: Malicious 的 attack protect

Virtualization#

• Virtual machine 可以有多個，各自擁有 Kernel

Distributed System#

• Network:
  • TCP/IP
• Local area network

• Distributed OS 是只有一個 OS，可以用很多 kernel
• Network OS 是在 Application 上用 Network 連接
• Middleware OS 是用 Middleware 連接，通常用 subscribe 的方法連接

Kernel Data Structures#

• Lists, stacks, and queues
• Trees
• Hash functions and maps
• Bitmaps

Computing Environments#

• Traditional computing
• Mobile computing
• Client-server computing
• Peer-to-peer computing
  • Not distinguish clients and servers
• Cloud computing
  • A logical extension of virtualization
• Real-time embedded systems
  • Scheduling

Computing Modes#

要想好 System 要做什麼，因為不能兼顧