Operating System - Basic Concept 2

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基礎觀念 - Basic Concept (貳)

機器指令 Stage (階段)

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  1. IF：Instruction Fetch
  2. ID：Instruction Decode
  3. FO：Fetch Operands
  4. EXE：Execution
  5. WM：Write Result to Memory
CPU 會 Memory Access DMA 要用 Memory
IF 必用 Conflict
ID 不使用 OK
FO 可能使用 OK or conflict
EXE 不使用 OK
WM 可能使用 OK or conflict

(P.3 - 66) (原文書 I/O Subsystem P. 596)

  • DMA 之六個步驟：
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  1. 驅動程序（CPU）
    1. 作業系統中的「裝置驅動程序」提出要求，欲將存於硬碟的資料傳輸至 RAM，並指定地址位在 x 的「Buffer」
    2. 「裝置驅動程序」接著命令「硬碟控制器」（Disk controller）傳輸 C Byte 到指定的位置
  2. 硬碟控制器（Disk）
    1. 對「DMA 控制器」作初始化設定
    2. 「硬碟控制器」使用「PCI bus」將每個位元組資料傳輸給「DMA 控制器」
      • 原先不使用「DMA 控制器」的情況下，要將資料交給 CPU 再傳輸到 RAM 中
  3. DMA 控制器
    1. 在接受自「硬碟控制器」傳來的資料後，將資料以「CPU memory bus」傳送到指定 RAM 中的位置 x；接著將 x 值遞增，C 值遞減直到成為 0
    2. 傳輸完成後，「DMA 控制器」觸發「Interrupt」以通知 CPU 中的驅動程序
  • Life cycle of I/O request (via Interrupted I/O) (P.3-65) (原文書P.612)
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提升 I/O 效率

  1. 減少執行 I/O 時所觸發的「Context switch」（\(B^+—tree\)）
  2. 當程序（Process）要與裝置溝通時，減少資料對 RAM 存取的次數
  3. 在大量資料轉移、智慧控制器的運作、「Polling」執行時，盡量使用「Busy waiting」的方式解決短小的「I/O 等待」，減少觸發「Interrupt」的次數
  4. 增加 DMA 使用率，盡可能避免使用 CPU 來完成簡單資料的複製工作
  5. 讓某些簡單程序可以藉由裝置裡的處理器來執行，使得這些運算能與 CPU 並行
  6. 使 CPU、RAM控制子系統、I/O 裝置效能平衡，因為任何一個步驟發生錯誤很可能會導致系統的「停滯」（Idle）

Blocking I/O and Nonblocking I/O

  • Blocking I/O：Process suspended until I/O completed.
    • Pros
      • Easy to use and understand.
        • 撰寫維護簡單，明確的知道什麼user program 需求
    • Cons
      • Insufficient for some needs.
        • 欲載入一個大型影片，如要等所有資料載完才反饋給使用者，將導致使用者體驗不好
Synchronous-I/O 也就是 Blocking I/O

  • Nonblocking I/O：I/O return controll as much as available.（得以在提出 I/O 的需求後馬上交付控制權回來，所以該 Process 不用轉換至「Waiting state」）

    • 應用
      • User interface、Data copy（Buffered I/O）
    • 以多線程系統來實現技術
      • 見 Thread-management ，若為「One to one」、「Many to many」系統，則某一個線程發出「I/O 請求」時，CPU 會移轉控制權給該程序的其他可執行的線程
    • 快速的回傳些許目前 I/O 裝置保存於緩存器的資料

  • Asynchronous I/O：Process runs while I/O executes.

    • 屬於「Nonblocking I/O」的一種
    • 難以駕馭其功能
    • I/O 裝置完成需求後才將資料完整回傳並以「I/O subsystem」通知CPU
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Intruupt 機制與種類

  • 「Interrupt」觸發時

    1. 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）

    2. 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

    3. 在處理器中的指令會跳至該服務程序位置，執行「Interrupt service routine」

    4. 完成「Interrupt service routine」後，將控制權返回給 Kernel

    5. 作業系統恢復（Resume）中斷之前 Process 的進行。

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  • 不同分類的「Interrupt」

    • 分類一

      1. 「External interrupt」：CPU 以外的周邊設備、控制卡… 所觸發
        • I/O completed、I/O error、Machine-check…
      2. 「Internal interrupt」：CPU 在執行程式過程中，遭遇重大錯誤而觸發並且通常優先權最高
        • Divide-by-zero、執行非法的特權指令（Privileged instruction）…
      3. 「Software interrupt」：User process 在執行之中，若需要作業系統提供的服務，必須觸發此中斷以通知作業系統執行對應的服務
        • I/O request…

    • 分類二

      1. 「Interrupt」：硬體裝置為了某些目的，需轉換目前處裡器裡執行的 Process 而產生的「通知信號」
        • 「I/O 設備」為了告知 CPU 目前的狀態所以會觸發「I/O-completed」、「I/O-error」與「Machine-check」…
        • 「Timer」為一種硬體，在協助「Round robin」排程、防止單一 Process 霸佔而保護 CPU 時，會觸發「Time out」
      2. Trap：程序在執行時為了某些目的需要作業系統的協助而產生的「通知信號」
        • Arithmetic error
          • Divide-by-zero、執行非法指令、非法記憶體存取…
        • User process 需要作業系統提供服務，產生「Trap」以通知作業系統
          • I/O-request

    • 分類三：以中斷的優先權高低分類

      1. Maskable interrupt（遮蔽式中斷）：觸發後可被忽略或延後處理
        • Software interrupt （優先權低）
      2. Non-maskable interrupt（無蔽式中斷）：觸發後必須及刻處理
        • Internal interrupt（重大錯誤）、I/O error…

Hardware Resource Protection

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Dual mode operation - 雙重模式

  • 作業系統的運作模式只少要可被區分為兩種模式
    • Kernel mode
      • 又稱為「supervisor mode」、「System mode」、「Privileged mode」、「Monitor mode」
      • 以此模式取得系統控制權（CPU）後，即可使用特權指令（Privileged instruction）
    • User mode
      • 「User process」通常在此模式之下，取得系統控制權且不允許執行特權指令

「Duel mode」必須要有硬體的支持才可以實現，CPU 內有「Mode bit」以區分現在狀態為何

Privileged instruction（特權指令）

任何可能會造成系統重大危害的指令，則通常為特權指令

唯獨在「Kernel mode」下才能執行，一旦在「User mode」之下執行會觸發「Trap」以通知作業系統，而應對處理通常會終止（Terminate）該 Process 的運行

  • 包含
    • I/O instruction
      • 為了保護 I/O 不被 User Process 濫用
    • 記憶體清除指令
    • 暫存器狀態修改指令
      • 有關記憶體管理、保護而用的暫存器
      • 如：「Base register」、「limit register」
    • 「Timer」設定指令
      • 為了保護 CPU 不被濫用
      • 如：「Set」、「Change」
    • 「Enable interrupt」、「Disable interrupt」
    • 「Halt」
      • 當系統無及時的工作需要完成時作業系統會利用此指令以切換至「Idle state」
    • 自「User mode」轉換到「Kernel mode」之指令

Ex 33​ (Ref P.3-42)

  • 以下哪些是特權指令？
    1. Set the value of Timer
    2. Read the clock
    3. Clear Memory
    4. Turn-off interrupt
    5. Switch from user to kernel mode

(1)(3)(4)(5)

Ex 34

  • 以下哪些是必要的特權指令，且讓使用者程序（User process）能更方便與兼顧安全？ (2)(3)(4)(5)(7)

    1. Change to user mode

      • 若下放給「User mode」使用也無關緊要，不會使得「User process」得以進入「Kernel mode」

    2. Change to monitor mode

    3. Read from monitor memory ☆

    4. Write to monitor memory

    5. Fetch an instruction from monitor memory ☆

    6. Turn on timer interrupt

      • 「Timer」本來就保持啟動的狀態，所以此指令並不重要

    7. Turn off timer interrupt

(2)(3)(4)(5)(7)

I/O Protection

將所有「I/O指令」設為特權指令，「User process」一律委託「Kernel」執行「I/O 運作」

  1. I/O 運作繁瑣複雜，降低「User process」操控 I/O之複雜度

  2. 避免「User process」對「I/O 裝置」之不當操作

Memory Protection

防止「User process」存取其他「User process」之記憶體空間以及「Kernel」的記憶體空間

  • 以「Contiguous memory allocation」為例，針對每個 Process
    • 「Kernel」會提供一套「Base registers」與「Limit registers」
    • 「Base registers」紀錄 Process 在記憶體中的起始位址
    • 「Limit registers」紀錄 Process 在記憶體中的大小
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Memory management unit（MMU；硬體）檢查是否逾越記憶體位置

（因為記憶體讀取很頻繁，若交由軟體檢查是否逾越則會導致中斷太多而讓效能低落）

CPU Protection

防止「User process」無限期/長期佔用 CPU 而不釋放

  • 以「Timer」實施保護

  • 作業系統規定 Process 使用 CPU 之最大時限（Max time quantum）

    1. 當 Process 取得 CPU 之後，一開始會設定「Timer」裡的計時器為「Max time quantum」

    2. 隨著 Process 執行時間增加，計時器會逐漸遞減

    3. 當計時器結束時會一同觸發「Time-out interrupt」以通知作業系統強迫結束（Preemptive）該 Process 對 CPU 的使用權