今天台南淹大水，不知道台南的朋朋們是否還過得安好

核心(kernel)

核心（Kernel）是作業系統中最重要、永遠在運作的核心程式，就像是作業系統的大腦，負責管理整台電腦的資源和行程。具體來說，Kernel 要負責：

• 管理Memory
• 分配 CPU 資源(這部分，之後就會談到CPU scheduling)
• 控制檔案系統與資料存取
• 控制I/O裝置的協調（像鍵盤、滑鼠、印表機）
• 負責多個程式同時執行的管理(這部分，之後就會談到 Multi programing)

Kernel就像是默默在為感情付出的那個人。
大家也要記得，去感謝那位默默無悔放出的那個人歐

雖然 Kernel 得運作是隱藏在幕後，但它與兩種常見的程式類型有密切關係：
第一個是系統程式（System Programs）：幫助使用者與作業系統互動，通常提供工具與介面，但不一定屬於核心的一部分。
第二個是應用程式（Application Programs）：是使用者執行的程式，與作業系統無直接關係，但需要經過核心協助才能使用電腦資源。

Polling（輪詢）

當電腦與外部裝置（像印表機、硬碟）進行資料交換時，Polling（輪詢）是一種最基本的方式。CPU 主動、不斷地詢問裝置是否準備好傳送或接收資料的一種通訊方法。就像是一位心心念念的媽媽，不斷不斷敲門詢問「吃飯沒？」「生活還好嗎？」「有沒有好好過生活？」。雖然Polling簡單易實作，但也一位他要不斷訓問，因此浪費大量 CPU 資源，導致其他工作延遲。

我們看看詳細步驟：

1. CPU會不斷polling busy bit（狀態暫存器），直到裝置準備好
2. I/O的部分，就會開始寫入資料，直到資料寫入完畢（Data-out）
3. I/O設定command-ready，告知我輸入完了
4. CPU接收命令→ 執行 → 清除 busy狀態

中斷(Interrupts)

了解完Polling後，就可以來看看中斷(Interrupt)。Interrupt是CPU與外部裝置之間通訊的重要機制，可讓系統即時回應硬體事件，而非不斷polling浪費效能。Interrupts的流程大致如下：

1. CPU 執行使用者程式
2. IO裝置完成任務後發出中斷訊號(interrupt signal)
3. CPU 接收到中斷後，暫停目前執行的程式，並根據中斷向量表(Interrupt Vector Table)跳到對應的中斷服務程式(ISR)
4. ISR(Interrupt Service Routine) 處理完事件後，還原先前 CPU 狀態，繼續執行原本的程式

主要的重點就是，CPU與裝置之間引入了「訊號」的機制，讓CPU不用一直詢問浪費資源。

那如果以I/O system的角度來看Interrupts，大致如下：(這邊是恐龍書Chapter 12)

1. CPU 啟動 I/O
2. 裝置完成後產生中斷信號（interrupt request）
3. CPU 儲存狀態 → 跳轉至中斷處理程序（ISR）
4. 處理完後返回原本任務

中斷向量表(Interrupt Vector Table)

上述在提中斷(Interrupts)的過程中，當裝置發生中段信號，CPU便會儲存當前狀態，進而去處理中斷處理程序（ISR）。而存放中斷處理程序（ISR）得地方就是中斷向量表(Interrupt Vector Table)。

Interrupt Vector Table是一個指標陣列（反正就是一個空間～），紀錄著【訊號：要做什麼動作】，，能讓CPU能根據ISR快速跳轉處理。此外，中斷類型可以近一步細分為：

• Non-maskable：不可屏蔽中斷，無法被忽略，例如硬體錯誤
• Maskable：可屏蔽中斷，可由軟體設定是否暫時忽略

而當多個裝置同時共用一條中斷線時，便是所謂的中斷連鎖機制(Interrupt Chaining)。也就是說，一個ISR 執行後，便可以同時主動查詢其他可能發出中斷的裝置，依序處理。下面這張就是Interrupt的基本流程圖(Interrupt Handling Flow)：

系統呼叫（System Calls）

當我們在寫read()、write()、open()這些操作周邊I/O的指令時，對於我們使用者來說，並不是直接操作硬體，而是透過一種途徑「請OS幫忙操作」，這個途徑就叫System Call。

可以理解為，用程式拿起電話打給作業系統的核心（Kernel）。跟他說「嘿～幫我把檔案存起來」、「幫我跟硬碟要資料」…

在OS中，幾乎所有重要事件都是透過Interrupt去做到OS與周邊I/O的交互。Interrupt有三種常見來源：

1. 硬體中斷 (Hardware Interrupt)：像是磁碟寫入、滑鼠移動這一類，由I/O主動通知 CPU
2. 陷阱/例外 (Trap / Exception)：就是程式發生錯誤時的系統介入。例如除以零、非法存取記憶體。
3. 軟體中斷 (Software Interrupt)：也就是這邊要說的System Call，程式主動請求系統幫忙做特權操作

對於使用者來說，我們都常在操作的都是API（Application Programming Interface），也就是OS已經提供好的函式庫（如 Linux 的 libc）實作。優點是跨平台、簡單好寫，不用煩惱細節。下圖是呼叫read時的System Calls邏輯：

那當我們在使用API做System Call時，API的參數是如何傳遞的呢？
如果傳遞的數量比較少，就會直接使用佔存器：如果參數較多，就使用stack(推入資料)或記憶體區塊(把所有參數放進記憶體，然後只傳這個位置)。以Linux舉例，Linux結合以上兩種：少的用暫存器，多的就用 block。

那這邊在整理下系統呼叫(System Call)跟中斷(Interrupt)：

Direct Memory Access(DMA)

在電腦中，資料在裝置與記憶體之間，就是「需要 → 搬過去記憶體 → 用完 → 搬回裝置」。但這一段「搬資料的工作」如果全都要經過 CPU，會發生什麼事呢？
在傳統的 I/O 模型中，資料傳輸是由 CPU 控制的：

1. CPU 從裝置讀取一筆資料
2. 再將資料寫入主記憶體
3. 每筆資料都要經過 CPU 操作（造成 overhead）(每一筆資料都要經過 CPU 手動「搬來搬去」)

這樣這種方式在處理大量資料（如硬碟檔案、音訊串流）時效率低落。CPU 資源被浪費在搬運資料上，而無法專注處理其他運算任務。而Direct Memory Access（DMA） 是一種由硬體控制器（稱為 DMA 控制器）所主導的資料傳輸機制。DMA允許 I/O 裝置（如硬碟、音效卡、網卡）直接與主記憶體（RAM）進行資料傳輸，跳過CPU介入，以節省 CPU 資源並提高效能。主機只需要事先提供這三個資訊，就可以叫：DMA控制器幫忙搬資料摟～

• 來源/目的的記憶體位址
• 資料長度（要傳多少）
• 指令區塊（Command Block）：用來描述任務的控制結構

DMA 的工作邏輯是這樣大致如下：

1. CPU 下命令：告訴「裝置驅動程式」（device driver），想把資料搬到記憶體某個位置
2. 驅動程式轉達詳細任務：轉給控制器（例如磁碟控制器），說：「請把 c bytes 的資料搬到記憶體 x」
3. DMA 控制器接手
   1. 一筆一筆將資料搬到記憶體 x
   2. 每搬完一筆就更新位置（x++）
   3. 同時遞減剩下的資料量（c--）
4. 搬完後，通知 CPU（透過中斷）：「老闆，我搬好了，來驗收吧！」

呼～打了好多，接下來就明天再說吧ＸＤ