前言

首先在最一開始，將藉由 Hello World 範例程式，引入一些作業系統的基本部件。以及作業系統的概念與目標，抽象性的實現，最後引入 System call 的概念，作業系統分層與總類。

When Hello World Running

以下為 C 語言的 Hello World

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello World\n");
    return 0;
}

接著我們會通過 gcc 工具鍊，經過了前處理的巨集展開，經過編譯器 (c compiler, cc) 產生出組合語言，接著經過組譯器 (assembiler, as) 產生出目的碼檔案，最後鏈結器 (linker, ld) 鏈接其他檔案與函式庫後，產生出了可執行檔 hello.exe。

gcc hello.c -o hello

exe 包含了許多機械碼指令提供給 CPU，以及一些資料，而這些對於 CPU的機械指令，是由 CPU 的指令集架構 (Instruction Set Architecture, ISA) 所實現，而 CPU 還會包含一些暫存器，像是Program Counter (PC), 或是一些指令的運算元 (Operands), 記憶體地址等等資訊。

當執行一個可執行檔時，CPU 會進行以下

• 讀取 Program Counter 並抓取 (fetch) 欲執行的指令位於記憶體中的位置，並將指令儲存到 Instruction Register (IR)。
• 載入 IR 中的指令並且解碼後，載入指令要求的一些資料到暫存器中，並且執行指令。
• 將執行的結果存回記憶體中。

(最近執行過的指令或是資料會放入 CPU 的快取中用來加速整個程式的執行)
而在上面這一些過程中，作業系統會進行以下工作。

• 作業系統對 CPU :
  • 初始化 Program Counter 以及其他的暫存器開始執行程式，而對於一個執行中的程式，CPU 會使用 Process (處理程序) 進行描述，作業系統擁有一個 Process 的掌控權，並協調每一個 Process 之間的資源調度 (Timeshare)，每一個 Process 會有一個虛擬的 CPU。
• 作業系統對記憶體 :
  • 將程式碼以及一些 Data 從硬碟載入到記憶體中，而對於每一個 Process，作業系統會去維護他們的 Data, code, stack, heap 等等資訊，並且會提供虛擬記憶體的機制 (每一個 Process 的記憶體空間)，以及虛擬記憶體與真實物理記憶體之間的轉換映射機制。
• 作業系統對外部硬體裝置 :
  • 讀取以及寫入硬碟，作業系統會提供一些驅動程式讓程式以及硬體之間能夠進行互動，以及回應一些 I/O 中斷的需求 (像是等待鍵盤輸入等等)。以及在硬碟上提供檔案系統方便管理與組織檔案

作業系統概念與目標

電腦通常由一個或是多個 CPU 組成，包含 RAM，硬碟，鍵盤，滑鼠，螢幕等等，可見電腦是一個複雜的系統，而如果開發一隻程式需要掌握這全部的知識，會讓程式的開發變得十足的困難，因此，電腦上面有一個軟體，稱之為作業系統，提供了一個更為抽象，方便理解的電腦模型。

作業系統為一種可以管理電腦硬體的軟體，而這個軟體有幾個目標需要達成。

• 抽象 （Abstraction） :
  將硬體抽象化，一部電腦中，會包含CPU, GPU, RAM等等，但這是站在看待硬體的角度去看待，也就是以相較low-level的角度看待，而在作業系統中，會提供相較high-level的角度去看待這一些硬體，諸如process（處理程序），file system（檔案系統）等等，可以方便軟體開發，以及提供軟體更好的可移植性。

• 多工 (Multiplex) :
  現代作業系統需要在多個 process 之間共享資源，再不互相干擾的前提之下，同時執行這一些程式。例如三個程式需要在同一台影印機上輸出結果，可能會發生三個程式的輸出混雜在一起的情況發生，而這時候我們會需要一些處理的方式，像是將輸出輸出到緩衝區之後的方法。

• 獨立性 (Isolation)
  如果應用程式發生了當機，崩潰等等，不會影響到其他應用程式，程式的活動之間必須不能互相干擾。

• 共享 (Sharing)
  許多時候不同程式之間需要交換資料，傳送資料，共同完成任務等等，例如使用檔案系統建立的一個檔案，經由文字編輯器讀取與編輯，之後寫入並儲存，這時候便會需要共享。

• 存取控制 (Access Control System)
  有時我們不希望使用者之間共享資源，或是其他使用者讀取我們的檔案，而這時候我們會希望有存取控制的手段給予限制。

• 效率 (Efficiency)
  作業系統作為資源的協調以及管理者，期望能夠更有效(並非公平)的運用資源。

API(應用程式介面)概念:

假設我到麥當勞想要點一個大麥克，我會走到櫃台和服務人員點一個大麥克，而經過了3分鐘後，大麥克就會噴出來了，我不需要管大麥克是如何製作的，只要和服務人員說我要一個大麥克，服務人員就會噴一個大麥克，服務人員就是 API 的概念。

而假設我要搜尋一個檔案，我只需要通過檔案系統就可以找到目標檔案，不需要管應的讀寫頭該如何運動，或是需要運動到磁盤中的那一個位置，檔案系統就相當於一個 API，讓我們可以方便的直接得到目標檔案，API 為一個抽象思考的概念，可將複雜的系統簡化，方便程式開發。

以下為 C 語言 API 概念示範 :

//source : https://www.bottomupcs.com/abstration.xhtml
#include <stdio.h>

//greet_api class
struct greet_api
{
    int (*say_hello)(char *name);
    int (*say_goodbye)(void);
};

//member function implementation
int say_hello_func(char *name)
{
    printf("Hello %s\n", name);
    return 0;
}

//member function implementation
int say_goodbye_func(void)
{
    printf("Goodbye\n");
    return 0;
}

//object implementation
struct greet_api greet_api =
{
    .say_hello = say_hello_func,
    .say_goodbye = say_goodbye_func
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    greet_api.say_hello(argv[1]);
    greet_api.say_goodbye();
    return 0;
}

execute:

./hello alice

output:

hello alice
goodbye

作業系統結構

整個作業系統包含了幾個部份，分別為 User Interface 的部份，像是 GUI, Shell 等等，和底層硬體進行互動的 kernel 部份。

而從硬體層，如 CPU，硬碟，到 process, file system 較高抽象層次，中間需要經過一個界面提供給使用者進行使用，類似於 API 的概念，而這個中間層就稱為 kernel。

< Kernel (operating system) >

我們可以對這一張圖進行分層：

• User space : 執行各種應用程式，如 vim, C complier 等等
• Kernel space : 有別於 User space 中各各應用程式，kernel這個程式在電腦開機時就會被開啟了，kernel中有許多服務用來維護以及管理底下硬體層的各各硬體。例如kernel中會有檔案系統，將檔案抽象成檔案名稱，檔案類型等等，以及檔案該如何儲存在硬碟之中，目錄結構等等。

每一個在 User space 中執行的程式，稱為一個 process，每一個 process 有自己的記憶體空間，包含一些 instruction, data, stack 等等資訊，instruction 用來實現程式的計算部份，data 為一個變數記錄計算時所發生的動作，stack 會紀錄程式對其他函數或是其他程式的呼叫。電腦中通常會有許多 process 正在執行，但皆是通過一個 kernel 進行管理。

在一個現代完整的作業系統中，kernel 中還會有許多的服務，像是處理 TCP/IP 協定，支援許多不同的網卡等等，所以一個 kernel 通常程式碼的數量是十分龐大的。

檔案系統為 kernel 提供和硬體層進行互動的 API，而對於 user space 和 kernel 層的互動，kernel 也提供了一些 API 進行互動，當 user space 中的 process 需要呼叫 kernel 所提供的服務時，稱為一個系統呼叫 (system call)。

在作業系統中，我們主要關注的部分是 kernel 的部分，正如前面所言，作業系統的角色是扮演使用者到硬體層面的溝通者，而在作業系統中主要負責這個部分的是 kernel，因此在作業系統的討論中會集中在 kernel 中各個功能的實踐，諸如記憶體管理等等。

System call概念

• System call 為特殊的函式呼叫 (function call)，可以讓我們執行一些高權限等級的作業系統指令。
• 一些較為敏感的操作，如直接存取硬碟等操作需要在較高的權限模式下運作，如在 kernel mode 底下，這時候我們可以使用 System call 完成這一些操作。

如果有一個程式需要打開一個檔案，則會需要進行open的系統呼叫，將文件名稱以及一個"額外"參數 (Argument) 傳入open中，這個額外參數表示我想要對 "file" 這個檔案進行寫入的操作。

fd = open("file", 1);

這看起來像是一個普通的函式呼叫 (function call)，但實際上這是一個系統呼叫，會跳轉到 kernel 中，執行 kernel 中實現open的程式碼，最後回傳一個 file descriptor，由 fd 變數所接受，fd 的全名為 file descriptor，之後，其他程式就可以通過 fd 來得知該如何對這個檔案進行操作，這個概念也被稱為 file handle。process 使用open的系統呼叫，user space 和 kernle space 會進行互動。

< from book-riscv >

事實上 C 語言的函式庫 (lib c) 的printf函式就隱藏了系統呼叫的部分，如果我們將printf展開，可以發現裡面存在 System call 的部分。

write(stdout, text);

< How Does the CPU Output “Hello, World!” To the Command Line >

System call 定義在user.h中，在 xv6 中支援21種 System call，System call 只能在 supervisor mode (kernel mode) 底下執行。

POSIX API

POSIX (Portable Operating System Interface of UNIX) 為一套 UNIX 的標準。

UNIX 為作業系統，在早期 AT&T 將 UNIX 作業系統以低廉的收費甚至免費授權給許多學術以及商業機構，許多機構在基於 UNIX 的基礎上進行一些改進而產生出新的作業系統，這一些作業系統被稱為 UNIX Like 的作業系統，而為了提高程式在這一些 UNIX Like 之間的可移植性，IEEE 制定了一套標準，稱為 POSIX。

POSIX 制定了關於 System call 的標準，符合 POSIX 標準的作業系統需要支援哪一些 System call，以及 C 語言函式庫，shell 等等一系列的標準。

Shell 概念

Shell 為一隻程式，接受使用者輸入的指令並且執行他們，Shell 為 user space 的程式，而非 Kernel 的一部分，可以從上圖中得知。在UNIX 中有許多的 Shell，諸如 bash, zsh，擁有自己的界面和一些腳本功能，之所以被稱作為 Shell 可以從上面這一張圖得知，他隱藏了Kernel (從殼到核心) 細節的部份，通過 Shell 去和 Kernel 互動。

Operating System Types (作業系統種類簡介)

Mutiprogramming system

定義 : 允許多個 Process 同時執行的 System。
目的 : 提高 CPU 使用率 (utilization)，避免 CPU 處於閒置 (idel)，等待使用者命令的狀態。
作法 : 利用 CPU 排班技術 (Schedualing) 來讓 CPU 可以在多個 Process 之間切換。
Process 同時執行使用兩種方法:

Concurrency execute (並行執行)

Concurrency，可以將一隻程式拆分成多個可獨立執行的工作，可以讓很多事情一起做，但是不一定真得要一起做，讓多個工作在單一個 CPU (或是單核 CPU) 上面執行。而可將程式拆分成多個部分，是屬於程式架構的部分。

< Introduction to OpenMP: 02 part 2 Module 1 >

Parallelism execute (平行執行)

Parallelism，是指可以同時執行多隻程式，把程式分配給不同的核心(多核處理器)(執行緒 thread, 在 RISC-V 中也會稱為 hart)

< Introduction to OpenMP: 02 part 2 Module 1 >

Time-sharing System (分時系統)

定義 : 在某一些地方(如: 恐龍本)會稱之為 Multitasking system，為 Mutiprogramming system 的一種，特色為 CPU 會很頻繁的進行 jobs switching，也就是在多個 Process 之間不斷的切換，這樣的設計適合與使用者進行交互，因為響應時間較短。作業系統會通過資源分享，讓每一個使用者有專屬的系統。

Mutiprocessors System (多核心系統)

定義 : 又被稱為 Multiprocessing, Parallel, Tighty-couple system 主要功能如字面上的意思，有多顆 CPU，或是多核 CPU，每一個核心 (core) 之間共享記憶體，I/O 裝置，匯流排等等。

Distributed System (分散式系統)

定義 : 又稱為 Loosely coupled system，特色為每一台電腦都是獨立的，有各自的 CPU, I/O 裝置，但是在軟體上會看作是一台電腦，像是Peer-to-peer (BT 的那個 P2P)

Real Time System (即時系統)

定義 : 對於每一個工作完成的時間有嚴格的要求，如果工作不能在規定的時間內完成，則視為失敗。

Reference

riscv riscv-fast-interrupt
chromitem-soc.readthedocs
RISC-V异常与中断机制概述
RISC-V spec references the word 'hart'
Serial communication
Linux 核心設計: Timer 及其管理機制