OS 期中考複習

1. OS 期中考複習 資工碩一 林昱宏 kenobi@networklab.csie.ncu.edu.tw

2. CH 1 • Main purposes of operating system • Multiprogramming • Time-Sharing Systems • Parallel Systems • Symmetric multiprocessing (SMP) • Asymmetric multiprocessing (ASMP) • Real-Time Systems • Distributed Systems

3. Main purposes of operating system • 作為 user 與 hardware 之間的溝通介面，讓 user 易於使用電腦。 • 提供讓 user program 易於執行之環境 • 管理並分配資源，讓資源公平且有效地被利用。 • 監督 process 的執行，防止不當之執行對系統造成重大之危害。

4. Multiprogramming • Def：單一 CPU 的系統中允許多個 process 同時執行 • 目的：提昇 CPU utilization，避免 CPU idle • 作法：透過 CPU scheduling，當某 process 執行期間，若因故被迫暫停（如：wait for I/O complete），則OS 可將 CPU 切換給其他 process 使用。 • Multiprogrammingv.s. Multiprocessor

5. Time-Sharing Systems • Def：屬於 Multiprogramming 的一種，透過 RR(Round-Robin) 的 CPU scheduling 策略，使每個 user 以為各自有一套專屬的系統。 • 各 user 以 interactive 的方式與系統溝通 • 強調 user 之間的公平性及較短的 response time • 各 user 可共享 memory space、I/O device

6. Parallel Systems • 又稱 Multiprocessor systems 或 tightly coupled systems • 同一部機器中具有多顆CPU，並具下列特徵： • 彼此共享 memory、bus、I/O device • 通常受同一個 OS 及 clock 控制 • 各 processor 之間的溝通採 share memory 方式 • 支援 parallel computing，即同一時間可有多個 process或 thread 在不同的 processor 上執行，以增進 throughput • 可再分成兩類 • Symmetric multiprocessing (SMP) • Asymmetric multiprocessing (ASMP)

7. Real-time System • Def：對於工作完成的時間有極嚴格的限制，若未能於規定的時間內完成，系統即屬失敗。如：工廠自動化生產、軍事防衛 • Hard real-time system：採用 RAM 或 ROM，不使用secondary storage，不使用 virtual memory，保證工作能在時間內完成。 • Soft real-time system：讓即時的 process 有高優先權，支援 priority scheduling，不能有aging 機制，UNIX 有支援。

8. Distributed System • Def：每部機器有自己的 CPU，每個 CPU 有自己的 memory space、I/O device • 各個 CPU 不一定受到相同的 clock rate 或 OS 控制 • 各 CPU (或機器) 之間彼此以網路或高速 bus 連接

9. CH2 • Interrupt • I/O Interrupts • Direct Memory Access (DMA) • Storage-device Hierarchy • Hardware Resource Protection • Dual-Mode Operation • I/O Protection • Memory Protection • CPU Protection

10. Interrupt • Interrupt 發生後，OS 的處理程序： • 暫停目前 process 執行，並保存其當時執行的狀態 • 根據 interrupt ID 查詢 interrupt vector，取出對應的 Interrupt Service Routine (ISR) 之起始位址。 • 執行 ISR • 恢復原先被中斷的 process

11. I/O Interrupts • User process 發出 I/O request 後，控制權何時交回給user process，有兩種模式： • Synchronous I/O：等待 I/O 完成後才交回控制權 • Asynchronous I/O：啟動 I/O 後即刻交回控制權

12. DMA ( Direct Memory Access ) • Def：由 DMA controller 負責 I/O device 與 Memory間的資料傳輸，傳送過程不需 CPU 的參與監督，可提高 CPU utilization。主要用於大量資料傳輸，如 Disk block data 的傳送。 • 每個 block 產生一次 interrupt，而非每 byte。

13. Storage-device Hierarchy 速度快 容量小 大 慢

14. Dual-Mode Operation • 系統必須提供2種運作模式：user mode、monitor mode • User mode：user program 運作之狀態，不允許執行privileged instruction，否則會引起 Trap，OS 會強迫process 終止。 • Monitor mode：OS 的 system process 運作之狀態，user program 不允許在此 mode 執行，可執行 privileged instruction。 • 利用 mode bit 來區分 user mode 或 monitor mode，並將所有僅能在 monitor mode 執行的指令設為privileged instruction。

15. I/O Protection • 目的 • 防止 user program 直接使用 I/O device service user program 必須對 OS 提出 I/O request，再由 OS 控制 I/O 運作，並將 I/O result 告知 user program。 • 方法 • 將所有 I/O 指令設為特權指令，user 必須透過 OS 來執行 I/O 指令。

16. Memory Protection • 目的 • 防止 user program 去更改 OS 所在區域的 memory 內容，例如：interrupt vector、ISR • 方法 • 利用 base 及 limit Register 來紀錄各 process 的起始位置及大小。透過存取位址與 B、B+L 之比較，確保 memory 之 protection。 • 修改 B 及 L Register 的指令要設為 privileged instruction。

17. CPU Protection • 目的 • 防止 user program 無限期霸佔 CPU 的狀況發生。 • 方法 • OS 要規定一個使用 CPUtime 的最大值 (time slice)，並利用 timer 記錄，counter隨時間遞減，當counter為 0 即發出 time-out 中斷通知 OS，OS 會強迫此 process 釋放CPU。 • 設定/修改 timer 運作的指令需設為特權指令。

18. CH3 • System Components • System Calls • Virtual Machine

19. System Components • Process Management • Main-Memory Management • File Management • I/O-System Management • Secondary-Storage Management • Networking • Protection System • Command-Interpreter System

20. System Calls (1/3) • Def：作為 user program 執行時與 OS 溝通之介面。當 user program 執行時需要 OS 提供服務，會發出 system call 通知 OS，OS 會執行對應的 service routine 以完成服務請求。

21. System Calls (2/3) • System call 的參數如何傳遞給 OS • 用 register 保存這些參數，速度快，但不適用於參數個數太多之情況。 • 將參數保存在 memory 中的 block (或 table) 中，同時用一個 register 紀錄此 table 的起始位址。 • 利用 system stack，保存參數時將其 push 到 stack，system call 執行時再 pop 取得參數。

22. System Calls (3/3) • System call 種類 • Process control • File manipulation • Device manipulation • Information maintenance • Communication

23. Virtual Machine • Def：透過 軟體模擬的技術，copy 出一份與底層 hardware 一模一樣的功能介面。 • 優點： • 對於 OS 的測試與開發是一個很好的負載平台 • 同一部機器上可以執行多套不同的 OS • 具有安全性 • 缺點：實作困難 • JVM

24. Mechanism v.s. Policy • Mechanisms determine how to do something • 怎麼做？ • Policies decide what will be done. • 做什麼？

25. CH4 • Diagram of Process State • Process Control Block (PCB) • Schedulers • Long-term scheduler • Short-term scheduler • Context Switch

26. Diagram of Process State

27. Process Control Block (PCB) • 目的：OS 為執行 process management，所以將 process 相關的資訊建立一個集合表示，即為 PCB

28. Schedulers • Long-term scheduler (job scheduler) • 執行頻率不高 • 可控制 multiprogramming degree • 調和 I/O bound 與 CPU bound job 之比例 • Short-term scheduler (CPU scheduler) • 從記憶體中那些欲執行的process 中，根據它們的優先權，挑出一個process來執行 • 執行頻率很高 • Medium-term Scheduler • 有時候從記憶體中撤除的process 又可重新送入到記憶體之中，並能在被撤除之處恢復繼續執行，這種架構稱為調換(Swapping)，process 由中期排程程式來將其調換出來，隨後在調換進去

29. Context Switch • 定義：當 CPU 從執行中的 process 切換給另一個 process 執行之前，OS 要先保存舊有 process 的執行狀態(如：program counter、CPU register…等PCB中的內容)，並且載入新 process 的執行狀態，此一過程稱為context switch。

30. Communication • Direct Communication • send (P, message) • receive(Q, message) • Indirect Communication • mailbox

31. CH5 • Thread • Thread Benefits • Thread V.S Process • User and Kernel Threads • Multithreading Models • Many-to-One • One-to-One • Many-to-Many

32. Thread • 又稱 Light weight process (LWP) • 同一 process 中的 thread 彼此共享 • Code section • Data section • OS resource

33. Thread Benefit • Responsiveness • Resource Sharing • Economy • Utilization of Multiprocessor Architectures

34. Thread V.S Process

35. User and Kernel Threads • User threads • Def：implemented by a thread library at user level. • 優點：fast to create and manage • 缺點：if the kernel is single threaded, then….. • Kernel threads • Def：Supported directly by OS • 缺點：slower to create and manage • 優點：if a thread performs a blocking system call, the kernel can schedule another thread in the application for execution.

36. Many-to-One Model 若某個thread執行暫停系統的呼叫, 整個行程就會被暫停 One-to-One Model 可能造程應用程式額外的負擔 ，數量大多受限制 Many-to-Many Model Multithreading Models

37. CH6 • Scheduling Criteria • Scheduling Algorithms

38. Scheduling Criteria • CPU utilization：CPU 的使用率 • Throughput：單位時間內完成的工作數 • Turnaround time：從 process 進入系統到完成工作 • Waiting time：process 在 ready Queue 中等待的時間 • Response time：從 user request 交付進入系統，到系統產生第一個回應的時間

39. Scheduling Algorithms • First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling • Shortest-Job-First (SJR) Scheduling • Non-Preemptive • Preemptive • Priority Scheduling • Round Robin (RR) • Multilevel Queue • Multilevel Feedback Queue

40. Scheduling AlgorithmsFirst-Come, First-Served (FCFS) Scheduling • Def：arrival time 愈早的 process，愈優先取得 CPU 的控制權。 • 排班效益最差，即Avg. waiting time 或 turnaround time 最長 • Convoy effect（護衛效應） • 較短工作的行程一直等待在較長工作的行程之後。 • 簡單易製作、fair、no starvation、non-preemptive • 計算題

41. Scheduling AlgorithmsShortest-Job-First Scheduling • Def：process 之CPU burst time 愈小，愈優先取得CPU的控制權。 • 排班效益最佳Avg. waiting time 或 turnaround time 最短 • Unfair、starvation、non-preemptive • 計算題

42. Scheduling AlgorithmsPriority Scheduling • Def：具有較高優先權的 process 愈先取得 CPU。 • 排班效益最佳。 • Unfair、Starvation • 計算題

43. Scheduling AlgorithmsRound-Robin Scheduling • Def：通常用在 Time-sharing system，OS 會規定一個CPU time quantum，若 process 取得 CPU 後未能在此quantum 內完成工作，則需放棄 CPU 等待下一輪。 • Fair、No starvation、Preemptive • Time quantum too large -> FCFS • 計算題

44. Scheduling AlgorithmsMultilevel Queue Scheduling • Def：進一步將單一 ready Queue 分成許多不同優先權等級的 ready Queue。 • 各個 Queue 可有自己的 scheduling algo. • Process不能在各 Queue 之間移動 • Unfair、Starvation、Preemptive

45. Scheduling AlgorithmsMultilevel Feedback-Queue Scheduling • Def：允許 process 在不同的 Queue 之間移動。 • 作法：類似aging，每隔固定時間，將所有 process 上移到上一層的 Queue 中。 • Unfair、No Starvation、Preemptive

46. 各排班法則比較