Operating Systems Basic

• 硬件只能完成特定的功能，要想完成复杂的功能要依靠编程的软件，最重要的系统软件就是操作系统（废话）。
• 操作系统使得计算机可以运行多个程序，而不是一次只能运行一个。
• 在访问内存时，例如访问地址为0x1000处的内存时，发出的实际是这个进程拥有的虚拟地址，操作系统将其映射到物理地址，并维护一张页表，这种功能是由硬件提供的。
• 针对不同用户有不同权限的模式：用户模式、机器模式、管理模式
  • 一般通过更改控制和状态寄存器（CSR）实现
• 计算机启动的过程：
  

Operating Systems Functions

• 中断：由外部事件引起，独立于当前运行程序，例如键盘输入，不必立即处理
• 异常：由程序内部引起，通常是严重错误，必须立即处理
• 中断和异常的处理方式类似：trap handling
  
• 在处理时，需要完整的保存寄存器的状态，处理之后恢复
• 操作系统同时运行大量的程序，通过上下文切换来实现

Virtual Memory

• 为了实现同时运行大量的程序，需要一种内存共享机制
• 虚拟内存让运行的程序有一种错觉：认为它在任何时候都有非常非常大的内存可供使用
• 可以将磁盘作为扩展的内存
• 虚拟内存使操作系统实现了隔离性，运行的进程彼此互不影响

Physical Memory and Storage

Memory

DRAM（动态随机存取存储器）

• 用途：DRAM通常用作计算机系统的主内存或RAM，因为它具有较高的存储密度和较低的成本。
• 特点：
  • 高密度：能够在较小的物理空间中存储大量数据。
  • 需要刷新：由于数据存储在电容器中，需要定期刷新以保持数据。

SRAM（静态随机存取存储器）

• 用途：SRAM常用于实现CPU缓存（如L1、L2、L3缓存），因为它的访问速度较快。
• 特点：
  • 速度快：比DRAM更快，适合需要高频率快速访问的场景。
  • 不需要刷新：数据存储在寄存器中，不会自动丢失，因此不需要定期刷新。

• DRAM和SRAM中的数据是易丢失的
• DRAM比SRAM更易丢失，需要定时刷新数据

Storage

SSD（固态硬盘）

• 存储介质：SSD使用闪存（通常是NAND闪存）来存储数据。
• 闪存：闪存通过电流改变存储单元的状态来编程数据，而擦除则是将其恢复到初始状态。一个重要特点是，闪存通常以块为单位进行擦除，这意味着在写入新数据之前，必须先擦除整个块。
• 特点：
  • 速度快：SSD具有较低的访问时间和较高的读取/写入速度。
  • 无移动部件：由于没有机械结构，SSD更加耐用，抗震动能力强。
  • 功耗低：在待机状态下，SSD的功耗通常低于HDD。

HDD（机械硬盘）

• 存储介质：HDD使用磁性盘片（通常是铝或玻璃制成）来存储数据，数据通过机械臂在盘片上读取和写入。
• 特点：
  • 容量大：HDD通常提供更高的存储容量，价格相对较低。
  • 速度慢：相比于SSD，HDD的读取/写入速度较慢，访问时间长，因为需要物理移动机械臂。
  • 易受损：由于有移动部件，HDD更容易受到物理损坏。

Memory Manager

• 内存管理器的任务：
  

Paged Memory

• Paged Memory（分页内存）是一种内存管理方案，它将物理内存和虚拟内存划分为固定大小的块，称为“页”（pages）和“页框”（page frames）。这种机制使得系统能够更有效地使用内存资源，并支持虚拟内存的实现。
• 当程序访问虚拟地址时，分页机制通过页表（page table）将虚拟地址转换为物理地址，物理地址有可能在磁盘中。
• 实际上分配的物理地址可能是不连续的
  
• 页表通常存储在主内存（RAM）中，因为页表的大小对于缓存来说太大了
• 可以将页表中被经常访问的部分存在缓存中以加快访问速度

Page Faults

• Blocks vs. Pages
  
• Page fault：程序访问不在物理内存中的虚拟地址时
  • 虚拟地址对应的物理地址在磁盘中
  • 未访问过此虚拟地址，将重新分配页面
    

Hierarchical Page Tables

• 在32位系统中，页大小一般为4KB，页面数量为，页表大小为4MB
• 假如要支持256个进程，页表总大小为1GB，在64位系统中可能更大
• 减小页表总大小的措施：
  • 增加页大小：会加重内存浪费
  • 层次页表：将页表分为多个级别，每个级别的页表指向下一级的页表或最终的物理页面。这种结构使得只有在需要时才会分配内存，从而节省资源。
    

Translation Lookaside Buffers

• 层次页表实际上增加了内存的访问次数，需要进行硬件加速
• 使用TLB（Translation Lookaside Buffer）：一种用于加速虚拟地址到物理地址转换的缓存机制，一种快速缓存，用于存储最近被访问的页表项。
• 访问TLB可以在大约一个周期内完成
• 替换策略一般为FIFO，LRU，Random
• TLB的访问次序先于缓存，缓存中保存的是物理地址
  

TLB in Datapath

• 位于缓存的前面
  
• 在绝大多数情况下TLB都会命中，少数未命中的情况下需要多次访问内存加载页表
  
• 上下文切换：上下文切换（Context Switching）是操作系统中的一个重要概念，用于在多任务环境中高效地管理进程或线程的执行。它指的是操作系统保存当前进程或线程的状态，并加载另一个进程或线程的状态，从而实现任务之间的切换。

IO Devices

• 计算机通过统一的IO接口与IO设备交互
• 可以通过内存映射IO设备实现，在系统设计阶段，操作系统或硬件平台会为每个 I/O 设备分配一块地址范围。这些地址范围不会与主内存地址冲突。

IO Polling

• IO轮询：CPU 定期检查一个或多个 I/O 设备的状态寄存器，以确定设备是否需要服务或者是否可以进行数据传输。
• 实现简单，效率不高
• 是处理器主动发起的

IO Interrupts

• 允许设备在需要 CPU 处理时主动通知 CPU，而不是让 CPU 不断轮询设备状态。
• 适用于速度不高的IO设备（鼠标、键盘）

DMA

• 直接访问内存：外部设备直接与系统内存进行交互，而无需通过 CPU 进行中介。
• 涉及大量数据的IO设备通常基于DMA