中斷和 OS 系統設計，和好多好多基本常識大雜燴，最後的虛擬機應用愈來愈普遍，也是滿重要的議題。enjoy it!
2015.1.13 初版
2017.8.10 二版
一、中斷 (Interrupt)
中斷是指處理器接收到外圍硬體或軟體的信號，導致處理器通過一個執行 context switch 並處理該事件。
Interrupt 的處理流程：
- 暫停目前 process 執行並保存此 process 當時執行狀況
- OS 根據 Interrupt ID 查尋 Interrupt vector 並取得 ISR (Interrupt Service Routine) 起始位址
- ISR 執行
- 執行完成，恢復先前 process 執行狀況
- 回到原先中斷前的執行
中斷的種類：
- 外部中斷（External Interrupt）: CPU 外的週邊元件所引起的。（I/O Complete Interrupt, I/O Device error）
- 內部中斷（Internal Interrupt）: 不合法的用法所引起的，CPU 本身所引發。（Debug、Divide-by-zero、overflow）
- 軟體中斷（Software Interrupt）：使用者程式在執行時，若需要 OS 提供服務時，會藉由 System Call 來呼叫 OS 執行對應的 ISR，完成服務請求後，再將結果傳回給使用者程式。
- Trap = Internal Interrupt + Software Interrupt
[補充] 現代電腦系統架構
- 每一個裝置控制器(device controller)負責一個特定型態的裝置。
- I/O 裝置和 CPU 可以同時執行並競爭記憶體。
- 每一個裝置控制器有自已的緩衝區。
- 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) 。
二、I/O 的運作方式
三種將資料在 I/O 間傳送的方法：
- Polling：最簡單的方式讓 I/O 裝置與 CPU 溝通。I/O 裝置只要將資訊放進狀態暫存器，CPU 會周期性的檢查並取得資訊來得知需要服務的裝置。
- Interrupt-driven I/O：利用 interrupt 的機制，當一個 I/O 裝置需要服務時，會發出 interrupt 來通知 CPU (非同步I/O)。
- DMA (Direct Memory Access)：提供一個裝置控制器，讓 I/O 裝置能夠直接在記憶體做資料的傳輸，不需要 CPU 的參與。
- cycle stealing: DMA 向 CPU 竊用機器週期，而直接向記憶體存取資料，因此 CPU 可與週邊裝置的工作同時進行。萬一 CPU 與 DMA 對記憶體存取發生衝突，則給 DMA 較高的優先權 (執行消耗小的先執行)。
I/O 架構：
- 同步 I/O 架構 (Synchronous)：一段時間內只有一個 I/O 請求產生。
- 非同步 I/O 架構 (Asynchronous)：必須有一個表以記錄各種裝置 I/O 的位址和使用狀況。
三、Dual-Mode
OS 會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。Dual-Mode 需要硬體的額外支援，用一個 Mode Bit 記錄權限。
- 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
四、System Calls
Programming interface to the services provided by the OS. Mostly accessed by programs via a high-level API rather than direct system call use (because of portability and simplicity issue).
Three most common APIs are :
- Win32 API for Windows
- POSIX API for POSIX-based systems (including virtually all versions of UNIX, Linux, and Mac OS X)
- Java API for the Java virtual machine (JVM)
[補充] System Call的參數如何傳遞給OS?
- 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。
[murmur] Most users'view of the OS is defined by system programs, not the actual system calls (such as ls, cp, mv)
五、OS 結構設計
1. Simple structure：早期的structure，例如MS-DOS
- Pros : simple
- cons : poorly structured. No protection. MS-DOS is left no choice because the CPU 8088 has no hardware support of user-kernel modes.
2. Monolith：開始分 kernel mode 和 user mode，例如 UNIX
- Pros : efficient
- Cons : not scalable
3. Layered：概念好但不存在，因為完全分層設計困難
- Pros : more structured, easy to debug and to scale
- Cons : difficult to comply with, very hard to define layers
4. Modules：Most modern operating systems implement kernel modules, e.g. linux.
- Overall, similar to layers but with more flexible.
5. Microkernel：核心功能能省則省，把很多功能都放到核外，例 如 Mach (Mac OS X)
- Pros : Robustness, Scalability, and Security
- Cons : inefficient. Because of message passing.
六、虛擬機
虛擬機 (Virtual Machine, VM) 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。對真正實際的系統而言，VM 上的 OS 只相當於一個執行中的 User Program，開發 OS 時較為安全且方便。
優點：
- 對於 OS 的測試與開發是一個很好的平台工具。
- 因為 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。
- VM 具有安全性。
- 同一部機器上可執行多套不同的 OS，是實作 time-sharing system 的簡單方法。
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
1. Instruction Type
Privilege instruction：會進 trap 的指令
Sensitive instruction：修改到硬體的指令
Innocuous Instruction：Those that are not control or behavior sensitive
[用心去感覺] Virtualizable
If sensitive instruction a subset of privileged instructions, the VM can be build efficiently (Virtualizable). In practice, Sensitive instructions are patched with trap instructions.
2. Java Virtual Machine
高階語言如 Java，會先透過 Java compiler (javac)，將 Java 程式會先被轉成跨平台的虛擬機器碼(byte-codes)，再透過 Interpreter 便可在跨平台系統上執行。
Just-in-time compiler
將傳統 Interpreter 替換成 JIT compiler，當 Java 執行 runtime 環境時，即時編譯器(混合靜態編譯與動態直譯)會針對程式熱區(hotspot)進行編譯優化成精簡的原生型指令碼，然後保存在記憶體中加速執行。
References
Nikita Salnikov-Tarnovski - Do you get Just-in-time compilation?
wiki - 中斷
Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne - Operating System Concepts 8th Edition
聯合大學陳士杰教授課程教材
洪逸 - 作業系統金寶典
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