方 的小說

較特別的資料

屬資工基本

• Chapter 1

如何解決(避免)CPU idle time太長

形成原因及解決策略

1.人為set-up time過長

Sol： "Automatic Job Sequence" → "Resident(駐留) Monitor"

2.I/O Device之operating speed太慢，造成CPU需等待I/O operation完成才往下執行 ∴CPU idle time過久

Sol：

A.用較快速的Device介入CPU與慢速的I/O Device之間 1.Off-Line 2.Buffering 3. Spooling

B.讓CPU always busy → Multiprogramming System

Spooling(Simultaneous Peripheral Operation On-Line processing)

Spooling為device介入CPU的方式~DMA便有用到spooling概念的技術

這樣就能分辨出有別於polling

 http://nixchun.pixnet.net/blog/post/7989495

DF:

在Disk上可依不同I/O Device切成n區的Spooling Area，對於輸入而言，input device可先行將處理資料送到spooling area， 當CPU從此Area取出Data進行運算同時，input device亦同時將下一波欲處理的Data送到spooling area 同理，輸出時亦同 

Spooling vs Buffering(不同處)

spooling允許某工作的CPU computation與其他工作的I/O operations overlay execution

Buffering與允許自身的CPU computation與I/O operation overlay execution 「Buffering限定在user memory space中」(假設條件)

系統類型(System Types)

單點

multi-programming

time-share

multi-processor

multi-tasking

Multi programming

目的就是讓CPU不要idle，提高CPU utilization~

允許系統(or memory)內存在多個process(處理程序)同時執行，透過CPU scheduling技術，當某個process取得CPU執行時，若因為某些事情發生(eg. wait for I/O complete, resource not available, etc.)而無法往下執行時，則OS可將CPU切換給其他process使用，如此一來，CPU在各個processes切換，則CPU總是Busy

多個process同時執行，mode有兩種 Concurrent(並行) Parallel(平行)

Time share

是Multiprogramming的一種，在CPU排班法則方面，其使用RR(Round-Robin)法則， 【即OS規定一個CPU time quantum，若process在取得CPU後，未能於quantum內完成工作，則必須被迫放棄CPU，等待下一次輪迴。】 對每個user皆是公平的

Distributed System(分散式系統)

1.Multiprocessor(或Multiprocessing)多顆處理器系統→又稱Tightly-Coupled System(緊密耦合)

2.Distributed System，舊版的Loosely-Coupled Distributed System(鬆散耦合)

=每部機器(或每個processor)有自己的local memory，此外，具下列特點： 通常不受同一clock及OS控制 各processors之間的溝通大都採"Message passing"方式 各機器彼此之間以Network(or 高速bus)相互連接

Clustered System

1.Asymmetric clustering

2.Symmetric clustering

real time

on-line

Computing Environments

1.Traditional computing

2.Web-Based Computing

3.Embedded Computing

• Chapter 2

CPU與I/O運作之間的溝通

1. Busy waiting I/O(polling(詢問) I/O)(programmed I/O) I/O Device(DISK) 很慢
2. Interrupt I/O 慢
3. DMA(Direct Memory Access) 現在使用*DMA controller與CPU採Interleaving(交替)使用memory resource，一般稱為"cycle straling"技術cycle straling 

Interrupt討論

1.interrupt的種類：

A.硬體1.External interrupt(HW) CPU以外的周邊元件所發出的 eg. I/O complete、I/O error、machine check

2.Internal interrupt(HW) CPU本身所引發的 eg. stack overflow、illegal command(非法指令執行)、divided by zero(除以0)...

B.軟體

Software interrupt 當user program執行時，若需要OS提供服務，則發出此類中斷通知OS執行對應的service routine eg. system call、trap

interrupt發生後，OS的處理程序

Step：

1. 暫停目前process的執行，並保存當時執行狀況
2. 根據interrupt ID查詢interrupt vector，取出對應的Interrupt Service Routine(ISR)起始位址
3. Jump to ISR的initial address，執行該ISR
4. ISR complete
5. OS恢復原先中斷前的process執行

I/O結構

Def： 當process發出I/O request以後，控制權如何交回給process？          有兩種mode：

1. Synchronous I/O I/O運作完成後才交回
2. Asynchronous I/O 不等I/O完成，即刻交回

不一樣中斷(trap)

Interrupt與Trap之比較

1. Interrupt：Hardware generated interrupt eg. I/O device發出"I/O complete"中斷
2. Trap：Software generated interrupt 用途： 1.user program需要OS提供Service時發出 2. Catch up arithematic error

Dual Mode(雙重模式)

需要硬體支援

系統運作的狀態主要分為兩種模式，1.Monitor mode２.user mode

主要是由mode bit區分，通常

0：表monitor mode : 主要是OS的system processes在執行

1：表user mode : user program可以執行的狀態

Priveledged Instruction(特權指令) (?應該資工會用)

1. I/O instruction 
2. 關於memory management所用之Register修改指令(base、limit register) 
3. Timer設定指令 
4. Enable, Disable Interrupt指令
5.  Halt指令 
6. change user mode to moniter mode指令

protection

I/O

Def： 防止user program對I/O Device不正常之使用

目的

∵I/O Device是重要的資源

∴不希望user program直接去控制I/O運作，造成資源不當分配，利用度低或危害系統

Memory 

1.Monitor Area Protection

   保護monitor所在的區域不被user program更改

2.Job與Job之間的Memory Protection(96清大 3.14)

Def： 防止user program企圖修改其它processes所在的Memory Area

作法： 利用base register及limit register記錄user program的起始位址及大小 對所有memory address存取執行下列檢查：

~圖 http://www.csie.ntnu.edu.tw/~swanky/os/chap2/Hardware_Address_Protection.png

CPU

1. 目的： 防止user process無限期佔用CPU而不釋放 
2. 作法： OS會規定一個使用CPU的最大時間值(Max time constraint)，利用timer記錄此max值，隨著process的執行，timer的值會隨著時間遞減，直到timer值變成零為止，此時timer會發出time out中斷通知OS，則OS可以強制此process放棄CPU 此外，Timer設定之指令需設為特權指令

Timer用途

CPU Protection Time-sharing system製作(RR scheduling) DMA controller設定中counter(傳輸量)使用 計時器、系統時間(clock)

• Chapter 3

OS User Interface

主要由Command Interpreter(命令解譯器)及System Call所組成

CLI (Command Line Interface) 

如果有圖~GUI (Graphics User Interface)

Command Interpreter(命令解譯器)

作為user與OS之間的溝通介面。

主要工作： 接收user commands 判斷command正確與否

=>若正確，則呼叫對應的Service routine(command routine)完成工作 結果回傳給(display to)user

設計上會遇到兩個issue(術語http://en.wikipedia.org/wiki/Issue_(computers)#Issue)

1. Issue1：Command Interpreter是否要包含command service routines？有包含服務理所當然的 "慢" 
2. Issue2：Command Interpreter與OS kernel module的關連程度？eg. UNIX的Shell與kernel是獨立的~ 優點：shell可以任意改變而不影響kernel

System Call(系統呼叫)

作為user program執行時與OS之間的溝通介面～

當user program需要OS提供服務時，藉由呼叫system call(伴隨trap to monitor mode)通知OS，OS可依據system call ID查表，啟動service routine執行，得到結果，再傳回給user program，完成服務請求

System Call種類：(P3-8~3-9)

1. Process Control 
2. File Management 
3. Device Management 
4. Information 
5. Maintenance
6. Communication

(有些為了教學會把ＯＳ的功能做似大總結memory process device information 不過還是主要依賴system call的功能 ～雖然以上是基礎～不過作引文)

system call的參數傳遞

法一：利用registers儲存參數

法二：將參數存在memory中的某個表格或Block，同時將此表格的起始位址存在一個register中，將此register傳給OS

(一跟二可以猜出好處壞處~SPEED)

法三：利用system stack保存參數

Virtual Machine

軟體模擬即：

1. 利用CPU scheduling技術創造出有多顆CPU的假象
2. 利用virtual memory技術創造出更多的記憶體空間
3. 透過spooling技巧，提供多套I/O Device之功能

小結:

1. Multiprogramming與MultiprocessesMultiprogramming不一定是MultiprocessesMultiprocesses一定是Multiprogramming
2. Multiprogramming與Time sharingMultiprogramming不一定是Time sharingTime sharing一定是Multiprogramming
3. Multiprogramming與Multiusers Multiprogramming不一定是Multiusers Multiusers一定是Multiprogramming 
4. Real time與On-Line system Real time一定是On-Line system On-Line system不一定是Real time

Operating System Study Guide 

http://www.csie.ntnu.edu.tw/~swanky/os/index.htm