System call

為User Process 與 Kernel 的溝通介面

System call 經常利用 Trap(Software Interrupt) 進入 Kernel

System call 通常被 CPU 視為software interrupt

User -> Trap -> Kernel mode -> OS Service -> Return User

現代系統會透過**Application Programming Interface(API)**來呼叫System Call
好處 :

program portability
更方便使用

Run Time Environment (RTE)

程式執行時需要的環境 (Compiler Libraries Loader…)
提供 System call Interface

Program -> API -> RTE -> System call ID -> Kernel -> OS Service -> Return

Flow

User Process issue trap 帶著 system call ID、 parameter
找到對應的System call handler
設為Kernel Mode
根據System call ID找到對應服務
取得Parameter 可以放再 (Register、Stack、Memory)
Kernel mode -> User mode

Parameter Passing of System call (重要五星)

五星 (重要)

Register

優 : 簡單、速度快、不須記憶體
缺 : 不適用參數太多情況

Memory

Register 裡放 Memory Address
優 : 可以放很多參數
缺 : 需要存取Memory

Linux 採混合方式；少參數 : Register；多參數： Memory

Stack

User Program Push 參數到Stack、OS 再 Pop

用 Memory 多數！

System call 種類 (4星申論)

Process Control

管理Process的生命
create
load、execute
wait
terminate

File Management
管理檔案建立、讀寫、刪除

Device Management
管理硬體裝置

request
release
read
write
get device attributes

Information maintenance
管理系統資訊

get/set time

Communication
IPC(interprocess Communication)

Message Passing
Shared Memory

Protection

如果五大類此類可不寫
管理權限

Mechanism and policy

Mechanism : How to do

維持不變、甚少改變
ex timer 作為 CPU protection

Policy : What will be done

ex. 決定Max CPU time quantum

為了增加Flexibility

中央常常考

What are the purpose of separation of mechanism and policy?

system are easy to modify
Flexibility to suit its needs

Original UNIX

UNIX OS 包含兩個分開的部分

系統程式
核心服務(Run 在Kernel mode)
屬於Monolithic kernel type (MicroKernel 的相反詞)
- 所有Kernel Service 都在Kernel mode下執行
- 優缺:與MicroKernel相反
- 例子:除了MACH 以外都是

Layered Approach(理論)

Top-Down decompossition

上層只可以用下層所提供的功能，下層不能用上層

Bottom-up testing and verifiction

OS可被切好幾層 layer 0: hardware；layer N:user interface

優點 : 方便維護、測試、debugging
缺點 : 困難去清除

Monolithic Kernel vs. Microkernel 比較

比較項目	Monolithic Kernel（單核心）	Microkernel（微核心）
核心概念	所有 OS 服務都在 Kernel Mode 執行	只保留最基本功能在 Kernel，其餘移到 User Mode
Kernel 大小	大	小
Kernel Mode	大部分服務都在 Kernel Mode	只有基本服務在 Kernel Mode
User Mode	幾乎只有 Application	File System、Driver 等非必要服務
IPC	幾乎不用 Message Passing	大量使用 Message Passing
效能	⭐ 快	⭐ 較慢（IPC 開銷）
安全性	較低	較高
穩定性	某個 Driver 出錯可能造成整個 Kernel Crash	單一服務失敗通常不會影響 Kernel
維護	較困難	較容易
擴充	較困難	容易新增服務
Porting	較困難	容易移植到新硬體
代表系統	Linux、UNIX、Solaris	Mach

Monolithic Kernel

特點

所有 Kernel Services 都在 Kernel Mode 執行
包含：
- Process Management
- Memory Management
- File System
- Device Driver
- Network

優點

執行速度快
IPC 少
Context Switch 少

缺點

Kernel 很大
維護困難
Driver 出錯容易造成整個 OS Crash
安全性較低

Microkernel

核心理念

Move as much from the kernel into user space.

將非必要服務搬到 User Space。

Kernel 僅保留：

Process Management
Memory Management（基本）
IPC（Message Passing）

其餘：

File System
Device Driver
Network
GUI

都放到 User Mode。

優點

容易擴充（Extend）
容易移植（Port）:因為kernel mode 服務少
安全性高（Secure）
穩定性高（Reliable）
Kernel 較小

大多於User 萬一Service Fail頂多想當於是一個user process掛而以

缺點

Message Passing 很多
User ↔ Kernel Context Switch 增加
IPC Overhead
效能較差

Microkernel 三個基本服務（★★★★★）

Process Management
Memory Management（基本，不含完整 Virtual Memory）
IPC（Inter-Process Communication）

其中：

IPC 主要使用 Message Passing

考試最愛問

Q1：Microkernel 為什麼比較慢？

答：

因為需要大量 Message Passing。

↓

User Process

↓

Microkernel

↓

File Server

↓

Microkernel

↓

Driver

↓

Microkernel

↓

User

IPC 次數增加，因此效能下降。

Q2：Microkernel 為什麼比較安全？

因為：

大部分服務放在 User Mode。

某個 Driver Crash：

✔ 不會造成整個 Kernel Crash。

Q3：Microkernel 為什麼容易維護？

因為：

Kernel 很小。

新增或修改 Service：

不用修改 Kernel。

Q4：Monolithic 為什麼快？

因為：

所有服務都在 Kernel。

不用一直 Message Passing。

Context Switch 少。

Modules

現代OS 多提供loadable kernel modules(LKMs)

Use 物件導向approach
Each core component is separate
Each is loadable as needed whithin the kernel

例子 : Linux 、 Solaris

Hybrid (考)

選擇

Linux 、 Solaris : monolithic + modular

三星記

MacOS : 核心 Darwin
包含

Mach microkernel
BSD Unix parts
I/OKit
Kernel Extensions(Dynamic loadable modules)

Virtual Machine

Host -> Hypervisor -> Guest

Host : Run 在 Hardware 上的 OS
Virtual Machine manager(VMM) or Hypervisor : create and run VM by providing interface that is identical to the host
Guest : Process provided with virtual copy of the host

Implement of VMMs

Type 0(硬體)
Type 1(OS Kernel) : 類似一個OS但只提供Virtualization
Type 1(OS Kernel) : 除了一班OS 也提供 VMM 功能模組
Type 2 hypervisor(user mode): 跑在user mode

其他VM 變種

4 star

Paravirtualization

向訪客展示類似硬體但不是的
Guest 一定要修改

Programing environment virtualization
Emulator

2 stars

Application Containment

Container
不是virtualization
Docker
共用Host Kernel

平板p.13

VM Benefits

一台電腦可以跑多個OS
各個VM 是獨立的
作為測試新版本OS的一個良好附載平台
Sharing
透過網路溝通
支援雲端計算與商業發展模式
- Solidation : 鞏固、合併；把很多低負載伺服器整合成大主機 ex. 1台Server跑10個VM
- Freeze,suspend
  - Resume
  - Snapshot : 存點之後壞掉還原回來
  - Clone
- Template : 可以一直產生很多VM
- Live Migration (及時移轉) : VM 正在跑，搬去另一台HOST，User不知道

造就cloud computing 與功能服務(IaaS)

Cloud Computing

依部署方式分類

Public cloud : 透過 Internet 提供給一般使用者付費使用
Private cloud : 由公司自己建立，供公司內部使用
Hybrid Cloud

依服務內容分類

Software as a Service(SaaS) : 直接提供可使用的應用程式。: 直接使用成品。
Platform as a Service(PaaS) : 提供開發或執行應用程式所需的平台與軟體環境 :給開發者的平台、 database 、金流、物流、APIs。
Infrastructure as a Service(IaaS) : 提供基礎硬體資源。: 租虛擬硬體。

Virtualization Implementation

實作困難 : 層次劃分困難
效能不佳 : 比真實的慢
需要硬體支援

Host = 真正提供硬體資源的那一端。
Guest = 跑在虛擬機裡面的 OS 或程式。
Guest Application
↓
Guest OS
↓
Hypervisor / VMM
↓
Host OS
↓
Host Hardware

Java Virtual Machine (JVM)

JVM 只是一個虛擬機器規格
Byte Code 可以跨任何平台執行

Byte Code : Java Compiler 編譯出來的中間碼
Java -> javac -> .class (Byte Code)

JVM 三大部分 :

Class Loader : 載入 class。
Class Verifier :　驗證 Byte Code 安全
Java Interpreter : 真正執行 Byte Code

不提供pointer
提供garbage collection

Garbage Collection（GC）會自動回收不用的記憶體。
Java Interpreter 程式解譯效率不好，可用Just-In-Time-Compiler(JITC):將Byte code 轉為 target CPU的object code 以利執行

System call

Flow

Parameter Passing of System call (重要 五星)

System call 種類 (4星 申論)

Mechanism and policy

Mechanism : How to do

Policy : What will be done

中央常常考

Original UNIX

Layered Approach(理論)

Monolithic Kernel vs. Microkernel 比較

Monolithic Kernel

特點

優點

缺點

Microkernel

核心理念

優點

缺點

Microkernel 三個基本服務（★★★★★）

考試最愛問

Q1：Microkernel 為什麼比較慢？

Q2：Microkernel 為什麼比較安全？

Q3：Microkernel 為什麼容易維護？

Q4：Monolithic 為什麼快？

Modules

Hybrid (考)

Virtual Machine

Implement of VMMs

其他VM 變種

VM Benefits

Cloud Computing

Virtualization Implementation

Java Virtual Machine (JVM)

Parameter Passing of System call (重要五星)

System call 種類 (4星申論)