Wildsky's Blog

作業系統 Ch2-2 – storage

Posted on

這個章節主要講電腦儲存資料的相關架構，並討論背後需要在意的問題。往後延伸到「不同的程式共用相同資源時，OS 在權限管理上 作業系統 的設計」。

儲存裝置最在意的三件事

  • Speed
  • Cost
  • volatile：斷電後資料是否會遺失

越快就越貴。如果想要一台 C/P 值高的電腦，就會需要有階層的架構。

儲存裝置的階層

  1. register
  2. cache
  3. memory
  4. disk
  5. 光碟
  6. 磁帶

一到六排序是由快到慢，由貴到便宜。現代還是有在用磁帶，因為比較穩，不會因為摔到或碰到水資料就整組壞光光了。

上述的 1,2,3 屬於 main memory；4,5,6 則是 secondary storage。前者是 volatile，後者都非 volatile。

下面分別列各自的特性：

Main Memory

  • CPU 可直接 access 的儲存區塊（速度快）。
  • 比較貴。
  • volatile
  • a.k.a RAM
  • 讀取任何位置的資料，時間都是一樣的。
  • 每次讀取速度都一致。
  • Disk 與之相反，會因為讀取位置不同而有不同的速度（後述）。

Secondary Storage

  • 速度較慢：CPU 不可直接讀，要讀要先搬進 main memory。
  • 空間較大
  • 比較便宜
  • non-volatile

磁碟的讀取速度

因為是機械式的，有磁頭。
所以 資料位置和磁頭間的距離 就是造成 access 時間不同的主因。

* access time = transfer time + position time
  * transfer time = data_size / transfer rate
  * position time (random access time) = seek time + rotational latency
  • seek time: 磁頭從當前位置去找資料位置的時間，可能很快也可能很慢。（硬碟說的 7200 轉、3600 轉，就是和這個有關）
  • 所以當資料量越大（都在連續位置上），seek time 對 access 的時間就越不重要。

那階層要如何讓電腦的資料存取更快速呢？就要透過 caching。

快取機制 Caching

將資料暫時從下層複製到上層，目的是增加 access 的速度。

  • 所有資料最終都儲存在空間最大但速度最慢的磁碟。

  • 所以為了快一點，就會把資料往上層 copy。

  • 實際運作：

    • CPU 第一次 access 資料時，會由上往下一層一層看有無 cache，沒有就往下找，找到有為止。

    • 找到後就會複製一份到上層。

    • 所以 第一次會比沒有 cache 的系統慢，因為除了要一層層找之外，還要複製資料。

    • 但第二次之後都會飛快。

因此，有的系統就不會做 caching。

舉例，每次都要處理大量資料的話，做 cache 就沒有意義，重讀資料還比較有效率。

有了複製就會出現 A 改 B 沒改的狀況，也就是不一致性的問題。

不一致性 coherency & consistency

  • 因為修改一定從最上層改，所以上下層可能資料不同。（不過給使用者看的一樣就好，所以其實也還好（？））
  • 那不一致性困擾在哪？
  • 單一程式：依照階層去做 Copy 就好，一個人時問題不大。
  • 多個程式：要改同個資料的時候，不同程式改資料的時間可能不同⋯⋯
  • 分散式系統：不同電腦要用同份資料⋯⋯ 大家還要資料相同⋯⋯ （還有網路問題⋯⋯）
  • 解決的原則就是：要製造出每個程式、每台電腦使用到的資料好像都是一致的假象。

有的系統會為了效率放棄一致性。

這邊周老師舉了 Google 搜尋結果的例子，但我自己是覺得搜尋結果的不同應該和一致性的關係較小，和個人化的關係較大。不過 Google 這個例子也有相關，忽略個人化的話各區的搜尋結果應該也還是會有差異，但我沒有證據，就只是推測就是了。

話說回來，要怎麼讓每個程式，每台電腦都能有 看似相同 的資料呢？就是要透過 protection 了。

Protection

這裡指的不是對網路攻擊之類的 protection，比較像是各程式間對資源的 權限控管。這邊有兩個例子：

  1. 某程式 crash 時，應該要只會看到 A 程式的錯誤訊息，不會整台電腦掛掉。
  2. 某程式能改動的只有自己的 memory，要改動其他人的資料就一定要透過 OS 或 controller 才可以（就是要經過上層同意）。

dual-mode

OS 要能夠區分一個 instruction 是來自 user program 還是 OS。

硬體 會提供至少兩種 mode 來支援 dual mode 的建立。

  • User mode : user program 的行為來的。
  • Monitor mode (kernal mode): OS 的行為來的。

如何區分？

  • 硬體用一個 bit 去記錄是那個 mode（設為 isUserMode）。

  • 平常 isUserMode = 1。

  • 當 call 了 interrupt 就會 flip，變成 isUserMode = 0。

  • 等 OS 跑完 return 時就會再 flip，變回 isUserMode = 1。

  • 實作

    • 硬體在設計時就會有 privileged instructions 在其中。

    • 只在 monitor mode 執行（不然就會被擋住，拋出 error 給 OS 處理）

    • User program 就需要 call system call 來做想做的事，讓 OS 能管理。

  • 所以在呼叫 system call 時，一定會有下面兩件事發生：

    1. 一開始跑時會先 flip isUserMode 的這個 bit。
    2. 跑完後再 flip 回來。

  • 藉由這個 dual-mode 的概念就可以延伸出下面三方面的 protection

    • I/O protection
    • Memory protection
    • CPU protection

講電腦也就都圍繞在這三件事上而已。下面來分別介紹。

I/O Protection

  • 硬體支援： 所有的 I/O 都是 privileged instructions。
  • 因為都是共用的。
  • 只保護 I/O 是不夠的，如果沒保護 memory，就可能被竄改 interrupt vector，讓 OS 執行不該執行的程式。

Memory Protection

  • 要保護下面兩種東西：
  1. interrupt vector & interrupt service routine
  2. 從其他程式來的資料存取
  • 保護 2. 的實際作法：
  • 把程式限制在一段空間中，超過就不准你亂動。
  • 硬體支援： 用兩個 register 記錄可操作的範圍
    • base register
    • limit register

當程式要去 access memory 時就會跑這個流程：

  1. 先 load base register，看 address 有無大於開始位置。
    • 若小於就丟一個 trap（因為 trigger by software）
  2. 檢查 base + limit，看 address 有無小於結束位址。
  3. 通過前面兩個判定後，才會把指令丟去 memory 的 bus，讓 memory controller 去做 data access。

所以 base register & limit register 這類用於檢查的 register 都是 privileged instructions。

CPU Protection

  • 避免一隻程式一直霸佔 CPU，必須要能夠隨時把 CPU 使用權拿回來。
  • 如何施行？
    • 利用 Time sharing 的概念。
  • 硬體支援： Timer
    • 會一直計時，時間到就丟 interrupt，執行 OS 的 scheduler，讓他決定繼續執行 or not。

所以 load-time 也是個 privileged instruction。（這邊的 load 是把值 load 到 timer 不是讀出來）

參考連結

關於 作業系統 的相關筆記，可以見這裡： http://blog.wildsky.cc/tags/os/