Day-01 作業系統概要

2022 iThome 鐵人賽

DAY 2

Software Development

與作業系統的第一類接觸 : 探索 xv6系列第 2 篇

14th鐵人賽作業系統 risc-v xv6

吳他，惟手熟爾

團隊那團名要叫什麼？

2022-09-17 11:22:08

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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。