作業系統筆記(一)：電腦怎麼處理各種作業的？

Noob Tsai -

現在人手一支手機，上面搭載 Android/iOS 系統；而筆電也搭載 Windows、macOS、Linux 等作業系統。然而這些系統背後是怎麼運作的？想知道就要念作業系統啦！

這篇文章至少包含：中斷、System Call、Dual Mode。如果你有恐龍書的話，應該會對應到第二章。

電腦是怎麼開機的？

電腦的架構，從上往下大概是：
使用者（User） 使用各種程式（Program），並往下透過作業系統（OS） 來控制最底層的 硬體（Hardware）。

而當你按下電腦電源鍵時，Bootstrap（開機的 Boot 就是這個詞的縮寫）載入 Kernel，開始執行一些像是 Init 的 Process，並開始等待中斷（Interrupt）。

User mode、Kernel Mode

開機以後，你可能會打開 Chrome、開個網站、收個信件；或是開個資料夾，開始打下禮拜要交的期中報告。這些操作都會動到硬體資源，為了確保這些資源能夠妥善被利用，所以要分成兩種執行特權：User mode 和 Kernel Mode。

Kernel mode 能夠做所有的硬體操作和其他系統停止指令：舉凡開新檔案、關機、分配記憶體等等。所以平常使用者只會碰到 User mode，需要的時候再請 Kernel mode 來操作。

中斷

而你在使用電腦時總會發生一些事件，例如插入隨身碟、或是某個程式突然停止回應，這時候就是發生了中斷（Interrupt）。

其實中斷不一定是出錯，它包含：

  • 硬體中斷
    • 按下鍵盤上的按鍵
    • 記憶體存取錯誤
    • ......
  • 軟體中斷
    • Exception/Trap（軟體定義的錯誤）
    • 檔案管理
    • 系統設置
    • ......

當中斷發生時，會暫停目前的工作（其實是暫停 Process，後面的文章會再提到），做完中斷事情後才會恢復目前工作的處理狀況。

剛剛提到的關機或新增檔案等 Kernel mode 才能做的動作，就是透過 System call，從 User mode 跳到 Kernel mode 來執行，再回到目前的工作繼續執行。

System Call 如何傳遞資料給 Kernel mode？

System call 有三種方法把資料傳遞給 Kernel mode。

  • By Register：直接透過 CPU 中的暫存器（Register）來儲存資料，速度最快，但容量最小。
  • By Address：透過類似指標的方式直接傳遞記憶體位址，將記憶體位址存在暫存器（Register）中。可一次傳遞大量參數，但相對較慢。
  • By Stack：也可以利用堆疊（Stack），將資料一次一次放在 Stack 裡，再由 Kernel mode 一個一個取出來。

參考資料

複習一下？

作業系統筆記 目錄