OS 筆記

note

operating systems three easy pieces筆記

IO運作模式和Hw resources protection

Introduce

  • IO 運作方式
    1. polling
    2. interrupted
    3. DMA
  • Interrupt 機制處理程序與種種類
  • Hardware resources protection
    • 基礎建設
      • Dual Mode 運作
      • Privileged instruction 特權指令
    • protection
      • IO protection
      • Memory protection
      • Cpu protection

IO 運作模式

Pooling IO (訊問是IO)

  1. Def: 又稱 Busy-waiting IO or Programmed IO
  2. Step
  3. 執行中的process對Os發出IO request (e.g. Disk read)
  4. 執行中的process會被Block, wait uintil IO complete(不一定)
  5. OS取得CPU執行相關的System calls,已完成IO services
  6. CPU設定IO command給 device controller
  7. device controller 控制 IO device 進行real IO operation
  8. CPU 可以切給其他process使用
  • 然而CPU在執行其他process過程中耗費大量CPU time用於polling IO device controller 資訊,已確認剛交付的IO運作完成與否
  • 並為全部用在process execution 上因此CPU utilzation低且process throughput 不高

Interrupted IO (中斷式IO)

  1. Step 如1~5如同polling IO
  2. CPU 切給另一個Process執行且IO Device也正在執行IO運作
  3. 當IO運作完成,IO Device controller 會發出 IO complete Interrupt 通知OS
  4. OS 收到interrupt 後會先暫停目前process執行並保存期狀態
  5. OS 會查詢interrupt vector判定何種中斷發生,並找出對應的Interrupt Service Routine(ISR 或 interrupt handler ) 位址
  6. Jump to ISR
  7. 等待ISR完成後return contril to kernel, kernel notify wait process 其IO 完成
  8. OS恢復中斷之前得prcess執行,或交由CPU scheduler決定下一個執行的process
  9. 優點
  • CPU 無需耗費大量的time在polling IO Device controller上,而是更專注用在process execution 上
  • CPU utilzation較高,產能throughput提升,imporve the system performance
  1. 缺點
  • Interrupt 處理也需耗費cpu time,,所以IO運作時間不長時polling IO也許更有利
  • 如果interrupt發生頻率極大的頻繁,則CPU utilzation 會很低,因此performance很差
  • CPU time人須用於Data 在IO Device 與 Memory上的傳輸,過程監督
    • CPU time 此時位在process execution上

DMA (Direct Memory Access)

  1. Def: DMA controller 負責IO Device 與memory 之間的資料傳輸,過程不用CPU 參與監督

  2. 優點

  • CPU 有更多時間在process execution上, cpu utilzation相對更高,此外適用於高速Block-Transfer oriented之IO Device
  • 中斷發生頻率相對較低
  1. 缺點
  • DMA controller 設計會讓硬體設計更複雜,需要增加額外Bus
  • DMA 必須用到memory 和 bus而這會和cpu 產生衝突,資源的爭奪
  1. DMA controller 一班採用interleaving(交錯)or cycle stealing 技術,與CPU輪番使用memory