Operation System & Input Output

从C语言到汇编语言，从汇编语言到机器码，从机器码到CPU执行机器码编码的指令流，从简单的CPU到流水CPU and pipeline，从processor access memory，从始至终，和personal computer总是有一点不一样的地方：没错，那就是和现实设备的输入和输出接轨。以及一直没提及操作系统，而电脑上面十分重要的属性之一就是操作系统使用的是什么。

OS

操作系统（OS）是计算机系统中的一个核心软件，负责管理和控制计算机硬件和软件资源。以下是操作系统主要功能的中文详细讲解：

启动时运行：
操作系统是计算机启动后首先运行的软件之一，它在固件（如BIOS或UEFI）和引导加载程序之后启动。
提供各种服务，如文件系统管理、网络协议栈等。
加载、运行和管理程序：
操作系统负责加载程序到内存中，并管理它们的运行。
它通过系统调用（CALL）来管理程序的执行。
隔离程序：操作系统确保每个程序或进程在隔离的环境中运行，这样它们不会相互干扰。这种隔离是通过虚拟内存等技术实现的，使得每个程序都像是在自己的小世界中运行。
资源复用：操作系统能够在多个应用程序之间复用资源，例如通过硬件线程共享内存，或者管理I/O设备（如磁盘、键盘、显示器、网络等）。
与计算机其他部分的输入/输出（I/O）：
操作系统提供与外部世界的交互，例如通过用户界面（UI）允许用户与计算机进行交互。
它找到并控制计算机中的所有设备，以一种通用的方式进行管理，这通常是通过使用“设备驱动程序”来实现的。设备驱动程序是操作系统的一部分，它们允许操作系统与硬件设备进行通信。

总结来说，操作系统是计算机的大脑，它不仅管理着硬件资源，还提供了一个平台，让应用程序能够高效、安全地运行。通过操作系统，用户可以方便地使用计算机的各种功能，而无需直接与硬件打交道。

下面将展开上述三点，展示：OS的作用究竟是什么！

Boot

开机之后究竟发生了什么？当电脑开机的时候，CPU执行从start address开始执行命令。当然这些指令都是在Flash ROM中的，不是什么PC寄存器。

BIOS（基本输入输出系统）：
当计算机开机时，CPU首先执行存储在Flash ROM中的指令。
BIOS负责寻找存储设备，并加载第一个扇区（sector），这是一个数据块。
这个扇区通常包含引导加载程序（Bootloader）的代码。
Bootloader（引导加载程序）：
引导加载程序存储在存储设备上，例如硬盘。
它的任务是将操作系统内核（OS kernel）从磁盘加载到内存中的某个位置，并跳转到该位置开始执行。
这一步是操作系统启动的关键，因为它将控制权从BIOS转移到操作系统。
操作系统启动（OS Boot）：
操作系统内核开始执行，初始化各种服务和驱动程序。
这个阶段包括设置硬件、加载必要的驱动程序、启动系统服务等。
操作系统会进行一系列的初始化操作，以确保系统能够正常运行。
初始化（Init）：
操作系统启动完成后，会启动一个应用程序，该程序会等待用户输入并处于循环状态。
这个应用程序通常是终端（Terminal）或桌面环境（Desktop），用户可以通过它与操作系统进行交互。
这个阶段标志着操作系统已经完全启动，用户可以开始使用计算机。

总结来说，计算机启动过程是一个从硬件到软件的逐步引导过程，从BIOS开始，经过Bootloader，再到操作系统内核的加载和初始化，最后启动用户界面。这个过程确保了计算机能够从关机状态安全、稳定地过渡到可以使用的状态。

IO

程序与外部世界的交互：
假设有一个程序在CPU上运行，它需要与外部世界进行交互。
需要I/O接口来连接键盘、网络、鼠标、屏幕等设备。
设备连接与控制：
计算机通过各种总线（如PCI总线、SCSI总线）连接多种类型的设备。
控制这些设备，响应它们，并进行数据传输。
将设备呈现给用户程序，使其能够被有效利用。
标准化接口：
可以为每种不同的I/O设备定义一个单独的方案，或者标准化接口，让I/O设备处理任何复杂性。
处理器的I/O操作：
输入：读取一系列字节。
输出：写入一系列字节。
接口选项：
一些处理器具有特殊的输入/输出指令。
内存映射输入/输出（MMIO），用于RISC-V架构：
- 使用普通的加载/存储指令，例如lw/sw，进行输入/输出操作，以小块形式进行。
- 一部分地址空间专门用于I/O，I/O设备寄存器位于该地址空间（该地址空间中没有实际的内存）。

内存映射I/O:

定义：
这些地址不是普通内存，而是对应于I/O设备的寄存器。
I/O设备通过读写字节流来进行操作。
这种共享接口被称为内存映射I/O。
地址空间：
这是一部分地址空间，专门用于I/O，不包含“普通”内存，而是对应于I/O设备的寄存器。
例如，地址0xFFFF0000对应于控制寄存器（ctrl reg.），地址0xFFF00000对应于数据寄存器（data reg.）。
操作：
使用普通的加载/存储指令（如lw/sw）可以方便地操作这些寄存器。
这种技术在RISC-V架构中非常常见。

速度不匹配（Speed Mismatch）

理论与实践：
理论上简单，但实际上在数据速率相差9个数量级的情况下，标准化非常困难。
处理器I/O吞吐量：
1 GHz微处理器的I/O吞吐量为4 GiB/s（每次加载/存储操作）。

处理器与I/O交互有两种方式：

Polls 轮询

轮询（Polling）：
例如，每秒轮询30次。
处理器在循环中从控制寄存器读取数据。
等待设备在控制寄存器中设置“准备好”位（0表示“数据可用”（对于输入设备）或“准备好接收数据”（对于输出设备））。
然后从/向数据寄存器加载/写入数据。
I/O设备重置控制寄存器（1→0）。

Interrupts 中断

避免在低数据速率设备（例如鼠标、键盘）上浪费处理器资源。
处理器像往常一样运行。
当I/O准备好时发生中断。
中断当前程序。
将控制权转移给操作系统中的陷阱处理程序。

中断处理流程：

接收到中断，暂停当前指令流。
在中断向量表（interrupt vector table）中查找处理程序地址。
执行跳转（jal）到处理程序，保存必要的状态。
处理程序在当前堆栈上运行，完成后返回，线程无感知。

Terminology

中断（Interrupt）：

由当前运行程序外部的事件触发，例如键盘按键、鼠标活动等。
异步（Asynchronous）于当前程序，可在任何方便的指令处处理。
当I/O设备准备就绪时触发，暂停当前指令流，执行中断处理程序。

异常（Exception）：

由当前程序执行某条指令时的事件触发，例如页面错误（page fault）、总线错误（bus error）或非法指令。
同步（Synchronous），必须在触发异常的指令处处理。

陷阱（Trap）：

指硬件通过跳转到“陷阱处理程序”（trap handler）来处理中断或异常的行为。
中断和异常都会导致陷阱，控制流从用户程序转移到操作系统。

Traps, Interrupt and Exceptions

精确陷阱（Precise Traps, PAGE 29）：

陷阱处理程序看到的机器状态是：陷阱前的所有指令已完成，陷阱后的指令未执行。
陷阱处理程序可通过恢复用户寄存器和跳转回中断指令（通过Supervisor Exception Program Counter, SEPC寄存器）继续执行。
精确陷阱简化了处理程序设计，无需了解处理器的流水线细节。
异常的陷阱处理比中断更复杂，尤其在流水线处理器中。

Pipeline中的Trap Handling

有序流水线中的陷阱处理（PAGE 31, 33）：

异常标志在流水线中保留至提交点（M阶段，Memory阶段）。
较早指令的异常优先于较晚指令，同一指令的早期流水线阶段异常优先于后期阶段。
外部异步中断在提交点注入。
如果在提交点检测到异常或中断：
更新Cause和SEPC寄存器。
清空所有流水线阶段。
将处理程序的PC注入取指阶段（fetch stage）。

多异常处理：

在不同流水线阶段可能同时发生多个异常，需优先处理较早指令或较早阶段的异常。

外部异步中断：

在提交点注入，确保与流水线中的指令处理协调。

Loads, run and manage programs

加载、运行程序（PAGE 35-36）
操作系统启动后的角色
操作系统在固件/引导加载程序（firmware/bootloader）之后运行，负责启动计算机并初始化系统。
加载、运行和管理程序是操作系统的核心功能之一。
进程（Process）与线程（Thread）（PAGE 36）
进程：应用程序在操作系统中称为进程，具有独立的内存空间。
线程：共享内存的执行单元。
进程创建：
- 通过另一个进程调用OS的系统调用（syscall）创建。
- 在Linux中，使用fork创建新进程，execve加载可执行文件。
加载过程：
- 从磁盘加载可执行文件（通过文件系统服务），将指令和数据放入内存（.text和.data段）。
- 准备堆栈（stack）和堆（heap），设置参数（argc和argv），跳转到程序的main函数。

进程管理（PAGE 37）

多程序运行（Multiprogramming）
操作系统通过快速切换（上下文切换，context switch）在单一CPU上“同时”运行多个进程（时间共享）。
上下文切换：保存当前进程的程序计数器（PC）、寄存器等状态，加载另一个进程的状态。
多处理（Multiprocessing）
在多核CPU上真正并行运行多个进程。
进程间调用
当前进程通过系统调用请求操作系统启动其他程序。
调度（Scheduling）
操作系统决定哪个进程运行，称为调度。

系统调用（System Call, PAGE 38-39）

定义
系统调用是用户进程请求操作系统服务的“软件中断”，类似于函数调用，但由内核执行。
服务示例
文件操作：创建、删除、读写文件。
设备访问：如访问扫描仪。
其他：printf、malloc等（在RISC-V中通过ecall实现）。
启动新进程。
系统调用执行流程（以启动新应用为例）
用户进程（如Linux shell）调用fork，触发系统调用，陷入内核（supervisor mode）。
内核加载新程序（参考CALL指令），跳转到新程序的main函数，切换回用户模式。
原进程（如shell）等待新程序执行完成（join）。

多程序运行与上下文切换（PAGE 40）

时间共享（Time-sharing）
操作系统通过设置定时器中断（timer interrupt）实现多程序运行。
定时器到期时：
- 保存当前进程的PC、寄存器等状态。
- 选择另一个进程，加载其状态。
- 设置新定时器，切换到用户模式，跳转到新进程的PC。
上下文切换速度很快，在人类时间尺度上感知为“同时运行”。
调度
操作系统决定运行哪个进程，涉及调度算法。
中断、异常与陷阱（PAGE 26-34, 重叠内容简要回顾）

中断与异常的定义（PAGE 26-27）

中断（Interrupt）
外部事件触发（如键盘、鼠标），异步于当前程序。
设备就绪时触发，暂停程序，执行中断处理程序。
异常（Exception）
指令执行引发的事件（如页面错误、非法指令），同步于程序。
陷阱（Trap）
硬件处理中断或异常的机制，跳转到陷阱处理程序。
中断处理流程（PAGE 26）
暂停指令流，查找中断向量表中的处理程序地址，执行处理程序，完成后返回。
示例代码展示如何检查设备状态，传输数据。

精确陷阱与流水线处理（PAGE 29-31, 34）

精确陷阱（Precise Traps）
陷阱处理程序看到的状态：陷阱前指令完成，陷阱后指令未执行。
通过Supervisor Exception Program Counter（SEPC）保存中断指令地址，便于恢复。
流水线中的陷阱处理
异常标志保留至提交点（M阶段）。
优先处理较早指令或较早流水线阶段的异常。
外部中断在提交点注入，更新Cause和SEPC寄存器，清空流水线，跳转到处理程序。
流水线示例（PAGE 34）
ADD指令触发溢出异常，暂停流水线，执行陷阱处理程序。

中断与轮询的对比（PAGE 25）

轮询（Polling）
处理器循环检查设备状态，浪费资源。
中断驱动I/O
设备就绪时触发中断，处理器正常运行，效率更高，适合低数据率设备。
保护与虚拟内存（PAGE 41）
问题
仅靠监督者模式（supervisor mode）无法完全隔离进程，进程可能覆盖彼此内存。
程序可能需要比实际内存更大的地址空间（如稀疏数据结构）。
解决方案
虚拟内存（Virtual Memory）：
- 给每个进程提供独立的虚拟地址空间，隔离进程。
- 后续讲座详细探讨。
操作系统核心功能总结（PAGE 42）
启动计算机（Boot）
固件加载内核，初始化系统。
I/O处理
通过轮询或中断与设备交互。
异常、中断与陷阱
处理外部事件和指令错误，保障系统稳定性。
资源管理
多程序运行、调度、虚拟内存等。
后续学习
在CS 130课程中深入探讨操作系统其他功能。

综合总结

操作系统的核心任务包括程序加载、运行与管理，以及中断、异常和陷阱处理：

程序管理
加载程序（fork和execve），分配内存，设置运行环境。
通过上下文切换实现多程序运行（时间共享），调度决定进程执行顺序。
系统调用允许用户进程请求内核服务（如文件操作、启动新进程）。
中断与异常
中断处理外部事件，异常处理指令错误，陷阱是硬件响应机制。
精确陷阱和流水线处理确保一致性，优化中断效率。
虚拟内存
提供进程隔离和更大地址空间，解决内存访问冲突。
I/O与资源管理
中断驱动I/O优于轮询，高效管理低速设备。
操作系统协调CPU、内存、I/O设备等资源。

这些机制共同确保操作系统高效、安全地管理程序运行和硬件交互，为现代计算机系统提供稳定支持。后续课程（如CS 130）将进一步探讨虚拟内存和高级资源管理。