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
# m. k! g/ l/ H以下試圖以自己的體認和觀點  以簡單的辭彙
7 e/ K9 r  N1 X) E9 E- f3 e去解釋一些process與系統演進的方式
如果有誤或是清楚的地方  歡迎大家討論

* ^( L6 T+ G6 {* A/ s[本文開始]
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
$ U6 Y. w2 m8 M' W0 V1 \' `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
' _" Z5 K# h. j+ ^" _5 X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
. d  i/ f7 d& y2 {運用到x86或是已經較為複雜的CPU系統上
# M) x5 w0 X/ |2 ]  B0 {! h2 e9 L
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
常常跟上述的專有名詞physical address or virtural address交互使用
$ T4 S* T$ t+ D" n+ z7 u5 d2 b% r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

9 a. L8 @3 C) s1 N9 y5 t# f那應該怎麼簡單來看待一個系統?

首先，我們回歸到CPU這個字的字義上，我們稱呼它為『處理器』
# Z  |1 V% b; Y0 g* L他是用來處理各種『資料』

那麼這些資料又放在哪邊?他是如何去存取這些資料?

8 X: x7 X% |, z! m  q, ~; v! C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

6 L: O, r0 U0 C1 [$ m' V( z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
; \+ i7 w2 u2 f3 ~
我們先從硬體加速的觀點來看這個系統如何改進:

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)
8 R7 ?+ s# k/ o# Q& B2 \" `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。
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。
3 V0 W( [- r4 S* }( O: F
6 ^2 ?4 D: N- c+ b! n, {* SCPU + arbiter bus + memory + DMA
! e( h& e9 U$ j8 p
接著我們從作業系統的角度來看:

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。
  [4 |# ?7 _, R1 @& \
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。
4 C* X+ o0 y, x  {" i# r& ~
! j! A4 p# I% Z. j7 }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。

" e- t; @9 t& \1 N3 m, F所以我們的系統變成了
! d; ?* k/ @% [% I
; u8 v4 W7 a, D/ S* C/ pmulti-mode CPU + MPU + arbiter bus + memory + DMA

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。

- n: \" X  K. O; y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。

6 U3 m# A; I' D( I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。

  ^( P, a: f6 O) s% R+ e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。
+ ~. }4 g4 |4 ~7 `
例如：
! \( G+ V: o* _: B' C
) i$ [( V3 C6 N$ @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。
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。

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。
7 |) G# p' C& z. b: `
到此，CPU多了MMU，現在大多包含MPU的功能。

3 b% q2 _: N5 F; R: x5 u$ Umuti-mode CPU + MMU + arbiter bus + memory + DMA
! U; R. g, V6 H+ p( R# D
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。
+ Y" a$ U8 F" b# W' f+ A
$ d: R+ V$ _" v+ d& q7 p" U2 ?  `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。
8 n1 v8 L! J, q1 j2 E
0x0000 0000 --< mapping >-- 0xFF00 0000
* L) n+ O- K4 }/ c# B* ]! ^; S% m
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。
- f- k3 h" J( ]& G0 {* ]3 y
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。

6 C' }9 j, g( O9 f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。
, Q& a/ \* x. @4 e8 f6 G2 R' r
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。

但是這樣的差別就是有什麼好處??
: G5 k8 j: t$ C& A3 r
* X4 H# R/ }& _( j6 I" p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。
! Y- G- ]" g  b- y0 [% L
why?!

5 I9 j- ?" x$ p/ ]" ~; K, o字數又超過啦~   

gogojesse

一、
如果大家都在同一個page table上
因為彼此用的記憶體應對方式是一樣的
所以processA要了某個區段 0x0~0x100
這樣processB就不能使用
很可能跑了一段時間之後整個系統的memory fragment就會變多
, u2 C; i7 C; p1 b0 g對記憶體使用率來講不好
' I0 V# @$ Q6 Y- D: g0 x) Z( e很可能要一次找到大塊的不好找
雖然virtual address有4G但是process分一分
2 f2 ]- j+ k+ F  N" O還是可能不太夠
% ?5 E/ b. o5 g* \
二、
processB可以看到processA的address space
表示我可以拿到相對應的資源
. X7 B0 }- Z0 q  e" F這樣惡意程式很容易就得到一些記憶體上的個人資料

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
2 I) d! x: v. A- j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.
透過大大生動的描述.很多複雜的概念就淺顯易懂了.