中斷

• 功能
  • 用於處理非同步事件
  • 讓緊急工作的需求可以被優先啟用
• 從外部裝置寫入本地的步驟
  • 裝置控制器被載入到 register
  • 裝置控制器將資料上傳到 local buffer
  • 裝置控制器歸還控制權給 OS: 發 interrupt
• CPU 檢查到發生中斷 → 停止其他工作 → 轉換到一個特殊 address（中斷服務常式(Interrupt Handler)的起始位址）→ 再呼叫特定的中斷處理程式
• 中斷向量(Interrupt Vector)：
  • 以特定號碼當 index，一有中斷要求，就提供中斷服務常式的 address
  • 實際上，所需的電腦硬體裝置數量會多於中斷向量可以容納的位址，所以要用中斷連結(Interrupt chaining) 解決
• 中斷連結：
  • 根據中斷類別，分配不同中斷編號，中斷向量中每個位址都會指向一組中斷處理程序列表（包含很多不同程序），會用線性方式找，直到找到對應的處理程序
• 中斷前需要把目前狀態存起來，在返回前恢復原狀
• 中斷實作：
  • CPU 硬體中有 Interrupt request line → 有設備控制器發信號 → CPU 讀取中斷編號 → 呼叫對應的 Interrupt Handler → Interrupt Handler 確認中斷發生原因 → return from interrupt
• 中斷實作的優化：
  • 由 CPU 和中斷控制硬體提供功能
  • 需要在關鍵時候延後中斷處理
  • 高效率地分配中斷處理程序給每個裝置
  • 為中斷加上優先順序，以便 OS 分配不同的處理等級
• 記憶體相關
  • CPU 只能從 Main Memory 載入程式
  • Main Memory 又被稱為隨機存取記憶體（Random Access Memory(RAM)），是一種揮發性儲存裝置，在電源被關掉後 data 就會消失
  • RAM 以 Dynamic Random-Access Memory(DRAM) 的技術製作成
  • Secondary Storage 作為主記憶體的延伸，為了儲存更多資料。常見裝置是 HDD（硬碟），多為非揮發性儲存裝置
• 電腦開機運行的第一個程式是 bootstrap program，再載入 OS
• von Neumann 典型指令執行週期
  • 從 Main Memory 抓取指令 → 將指令存到 CPU 內部指令暫存器 → 指令執行完成後，將結果存回記憶體
• Direct Memory Access(DMA)
  • Non-Violate Storage I/O 時會有很大的 overhead，所以需要 DMA
  • 作法：設定 I/O 裝置的 Cache、Pointer、counter 後，裝置控制器將主記憶體中整個資料區塊傳送進出，不受到 CPU 干涉，每個區塊只會產生一次 Interrupt
  • 現代設計：
    • 裝置不在匯流排(Bus)架構，而是使用開關。
    • 多個元件可以同時和其他元件溝通，不用相互在 Bus 上爭取 Clock Cycle
    • 適合使用 DMA
• 常見多元處理器系統：
  • 對稱式多元處理(Symmetric Multiprocessing, SMP)
  • 每個同級 CPU 處理器都有一組自己的 register 和 Cache(L1) 再用 L2 Cache 匯集多個處理器
  • CPU 通過 shared system interconnect 進行連結，所有 CPU 共享一個實體位址空間，稱為 Non-Uniform Memory Access(NUMA)
    • 優點是當 CPU 存取本地 Memory 時，速度很快，而且系統護連也不會有競爭問題
    • 缺點是 CPU0 存取 CPU2 的本地記憶體會很慢，但可以透過 CPU Schedule 和記憶體管理來盡量防止效能降低
• 刀鋒伺服器？？
  • 將多處理板、I/O板和網路板放在相同底盤上
  • 每個刀鋒處理器獨立執行本身的 OS
• 叢集系統通常使用儲存區域網路（SAN）
  • what is san: https://www.snia.org/education/storage_networking_primer/san/what_san
• 電腦啟動：
  • Bootstrap: 找到作業系統 kernel 儲存位置，並且將其載入到 Main Memory
  • System Daemons（系統守護進程）：在核心外部提供，載入到記憶體中執行
    • 第一個 system program 是 systemd，他可以啟動其他的 deamon
• 作業系統會啟動直到某些事件發生，事件發生通常透過中斷方式呈現
  • 中斷有分硬體 / 軟體中斷
  • 軟體中斷：Trap 或是 Exception
    • 讓程式可以藉由『System Call』這項特殊操作來執行系統服務
• User mode 和 Kernel Mode
  • 當 Trap 發生 → system call → 進入 kernel mode → 執行系統呼叫 → 回到 User Mode → 系統呼叫 Return
  • 虛擬機器管理程式（Virtual Machine Manager）控制系統時，支援虛擬化的 CPU 有一個獨立的模式，讓 VMM 可以有比 User mode 更多 Kernel mode 更少的特權，讓 VMM 足夠可以管理機器
• System Call 被執行：
  • 被硬體視為軟體中斷
  • 控制權由 Interrupt Vector 交給 OS 的 Service Handler
  • 模式位元被設定為核心模式
  • Kernel 檢查中斷指令，判斷目前發生哪一種系統呼叫
  • 有一個參數指示 User program 要求的服務型態，OS 執行要求，並且把控制權交回給系統呼叫之後的指令