從system bus來看系統

gogojesse

有些基礎不夠深厚  遣詞用句也不是很精確
+ [- N$ V: H- ~  M以下試圖以自己的體認和觀點  以簡單的辭彙
去解釋一些process與系統演進的方式
+ S1 @$ g- s% u  ]如果有誤或是清楚的地方  歡迎大家討論

5 T; \% i: n) x+ c, C! g[本文開始]
9 R! |' F8 w' c# p$ Y. Z7 w4 W9 F" ?0 H在學校學computer architecture或者做一些簡單的單晶片介面卡實驗課程的時候
常常會被一下子多出來的專有名詞搞混
像是DMA, memory, cache, mmu, virtual address, physical address 等等
尤其大家一開始接觸電腦都是已經發展很久的x86系統
即使有單晶片系統的實驗課程
也很難將單晶片的經驗
# y0 ~( m8 ^& f/ R運用到x86或是已經較為複雜的CPU系統上
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5 L% [2 c4 O( j因為CPU上頭又開始加入了越來越複雜的作業系統
像是作業系統常提到的kernel mode, user mode
1 B7 j, M# a1 v+ o+ X2 d$ w. f2 a常常跟上述的專有名詞physical address or virtural address交互使用
. t4 ]1 ?' j; B6 L0 y例如刻板印象的『作業系統處於kernel mode時，使用physical address』
經常讓一剛要學習撰寫driver或是OS的軟體人員產生非常多的疑問
1 z7 `) L( n9 o% m6 o2 j' x8 S
那應該怎麼簡單來看待一個系統?
. H+ X7 ~. E1 k2 `0 N9 S5 t
首先，我們回歸到CPU這個字的字義上，我們稱呼它為『處理器』
他是用來處理各種『資料』

8 @7 P4 }: V" h; l! Z那麼這些資料又放在哪邊?他是如何去存取這些資料?
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通常可以被處理的資料都在memory當中，CPU透過所謂的 bus 去存取memory
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& O0 |% `& ^# Y+ G到目前為止，我們得到一個簡單的系統 CPU + bus + memory

接著，我們用兩個角度去看這個簡單系統的發展
1. 硬體加速
2. 作業系統
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我們先從硬體加速的觀點來看這個系統如何改進:
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8 f2 F0 N! \% a7 s! X# ~  [) q首先，硬體加速通常就是把某種特殊格式的資料準備好 (例如電影)
放在某個地方，然後請你設計好的加速硬體去處理這些資料
可以看得出來，這些資料勢必會被放在某塊地方，讓硬體可以直接讀取。
; `+ e1 I+ m8 O2 n3 A# _& [3 L這個想法造就了 DMA ，也讓系統也開始複雜化，因為這樣一來，同時之間會有兩個東西去存取記憶體。所以bus的設計上變得複雜，必須處理DMA和CPU同時發出request 的狀況，這邊bus變成需要多了arbiter的功能，以便決定目前誰是master可以存取memory。從另外一個角度來說，她們會互搶資料，也就是你加入越多DMA，CPU那邊的效率有可能更差，因為他要不到資料，必須等待，但另一方面他多出了一些時間可以處理其他資料，而將一些固定特殊的工作交給加速硬體去完成。
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CPU + arbiter bus + memory + DMA

接著我們從作業系統的角度來看:
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( [: ?: H2 d) O, I. Y" v一開始的作業系統沒有分kernel mode和user mode，也沒有出現virtual address，只有一種模式和一種定址方式。可是這樣會因為程式撰寫錯誤，直接改寫到OS所處記憶體位置，變成整個系統都不能工作。

例如： OS被載入到 memory 0 的開頭位置，某個程式寫錯資料，把資料也寫到0的位置，這樣原本的OS就被亂改到，萬一程式跑到這邊系統可能就掛掉了。面對這樣的問題，發展了user mode和 kernel mode，並藉由硬體的保護，使得user mode下不能直接存取某塊被保護的memory區塊，這個硬體就是現在的MPU。
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7 m$ \  J- a0 u8 |4 R6 ?到目前為止我們可以看出來整個系統更加複雜了，CPU必須多一些模式，以便支持作業系統的kernel mode和user mode，kernel mode可以去改寫MPU設定要保護的memory區段，等到設定好了，切換成user mode，這樣 user program 就可以安心的使用記憶體，也不擔心惡意程式去搞壞OS。
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所以我們的系統變成了

/ {. M$ `0 U" pmulti-mode CPU + MPU + arbiter bus + memory + DMA
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因為字數限制，部分貼到回文當中  =)

gogojesse

接著我們看virtual address和physical address的誕生，這邊相當抽象，需要一些想像。

隨著時代進步，越來越多user program產生，user mode的program目前雖然已經不會因為隨意的存取記憶體，造成OS掛點，可是還是有可能去改到別人的記憶體，因為每個程式共同擁有並使用同一個記憶體和所謂的記憶體空間。

例如：程式A放在0~128 KBytes，程式B放在512~768KBytes，程式A寫錯位置到B程式的地方，變成程式B毀損，B程式就掛掉了。

! b8 j4 H. y, x4 T# U  u( r: T" d; l: l上述的記憶體使用情況，不僅給programmer帶來困擾，而且變成記憶體必須被事先決定好誰只能用哪邊?只能使用多大?這樣不但得事先規劃，對於記憶體的使用也不是很高，因此MMU的硬體便被提出來。

簡單來看，MMU記錄著某個虛擬位置所對應到的實體記憶體的位置。
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作業系統利用這個特性，為每一個user program先做了一個假的記憶體，每個程式都以為他有很大很大的記憶體空間，其實當程式呼叫malloc的時候，才會去設置MMU將這個user program的假記憶體空間和真實記憶體做個連結。這邊很難解釋清楚，其實每個程式都有一個假的記憶體空間的紀錄表格，當OS做context switch到某個program的時候，MMU也會跟著切到這個table上，以便用到正確的紀錄表格。
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* ?! H8 {+ v9 W# Z0 P+ o5 I例如：
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. a  m; ?3 D' [. s, ~  q. O1 {$ B程式A的表格記錄了他配置0~4K，而這4K對應到真實記憶體的128K~132K的區段。
4 M, [3 q3 e: O" Q程式B的表格記錄了他配置0~4K，而這4K對應到真實記憶體的132K~136K的區段。
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# I; L# f2 u# [  e3 e, F3 g雖然兩個程式自己都以為他是用到0~4K，可是其實真實記憶體所配到的位置不同，作業系統在切換的時候，會同步將虛擬記憶體的紀錄表格做切換，以便使用到正確的對應表。以上是一種例子，各種OS可能採取的設計方式不同，但是概念大多是一樣的，我們可以看得出來，對每個程式來說，它可以有擁有許多假的連續記憶體空間，對程式撰寫，還有記憶體使用率來說，很有效果。
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到此，CPU多了MMU，現在大多包含MPU的功能。

muti-mode CPU + MMU + arbiter bus + memory + DMA
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5 H- c  o4 ]  k, z$ Q0 z因此OS在kernel mode的時候，如果MMU是打開的，這時候還是使用virtual address。

要讓mmu正常工作，必須要設定，要讓他知道你對位址的規劃是如何。

7 w/ P; W1 |! d0 \1 ?例如：RAM被硬體人員安排到0xFF00 0000的位址，可是你希望RAM被當成從0x0開始，你就可以設定MMU將 0xFF00 0000 對應到 0x0，這樣一來你讀取0x0就會自動轉到0xFF00 0000那邊去。
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# t4 N! M$ @6 ?- o" C/ a, w8 ~+ s0x0000 0000 --< mapping >-- 0xFF00 0000

作業系統一開始就會初始化這些位址轉換對應的資訊，把它放在所謂的page table裡面，然後把table位址交給MMU，MMU就會依照table的資訊工作。
- [% d% C/ O! [* Y  c2 z3 a
3 t# s  g) o8 h/ E; `假如你今天有兩張table，兩張table設定不一樣，MMU只要在這兩張table之間切換，那記憶體對應的方式也會跟著換。
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這是一個很重要的想法。假如，我每一個process都有自己的 page table，切換process的時候，table也跟著切換，這樣我可以控制每一個process去存取記憶體的方式。假如我是讓所有的process 都共用一個 table，這樣這個table的設定值，就會影響到所有的process。
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0 {: [, s9 E) E# j6 e0 Q共用一個table表示每個process用同一個位址去讀寫，透過MMU轉換到的位址是相同的，會讀寫到同一塊。不共用的話，表示processA和processB即使拿同一個位址0x8000 0000去讀寫，可能最後對應到的位址是不同的。
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0 u* _0 `" Z) [3 F但是這樣的差別就是有什麼好處??

. ?  y) W9 t; F9 ~3 U因為感覺上複雜化了整個系統，本來我可以很直覺的拿processA傳給我的位址，去讀取它為我準備的資料，現在我可能會因為我使用的 table 不同，就不能在其他process直接使用。感覺很麻煩，要是大家都在同一個 table 工作，不是很簡單嗎?位址空間都是一樣的。
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& E1 @8 U0 [: H. e; Jwhy?!
! H; Y" {- Z! p1 |$ Y
$ T) q, z1 R9 H字數又超過啦~   

gogojesse

一、
4 T6 H: K% r: e9 s如果大家都在同一個page table上
* r+ c1 l: B+ L* b- R" E因為彼此用的記憶體應對方式是一樣的
- {/ \" g) e7 f1 N/ q  U" @3 D/ R所以processA要了某個區段 0x0~0x100
3 M( Q! B* m% p3 [' I) P* ?+ u9 d這樣processB就不能使用
0 s8 N- V6 C6 n  c8 d# M% E, F很可能跑了一段時間之後整個系統的memory fragment就會變多
對記憶體使用率來講不好
很可能要一次找到大塊的不好找
# m, c. W" T+ {1 _雖然virtual address有4G但是process分一分
還是可能不太夠
  y4 N9 J! N2 C; d) C
! `* y$ F5 ]) U二、
processB可以看到processA的address space
表示我可以拿到相對應的資源
& U+ y* @; t6 y( X: ?/ R這樣惡意程式很容易就得到一些記憶體上的個人資料

2 m$ B8 p% C1 {1 f2 h9 f8 ?有些地方的說明不太容易，太簡略容易造成誤解，贅述又怕不容易
理解。沒表達清楚的地方歡迎提出來討論。

rogeryang

希望大大以後多多發表文章.
$ {. u- {/ K; ^3 ?5 J透過大大生動的描述.很多複雜的概念就淺顯易懂了.