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
以下試圖以自己的體認和觀點  以簡單的辭彙
6 x. P4 c2 e! B) j" g8 A去解釋一些process與系統演進的方式
; C% v, a, V$ m2 I9 h( r如果有誤或是清楚的地方  歡迎大家討論
. a1 T) A* [% U
7 }/ L/ t9 x& ^. f: N' F2 v0 k[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
常常會被一下子多出來的專有名詞搞混
: z2 B) i, P& d像是DMA, memory, cache, mmu, virtual address, physical address 等等
( k3 [' ]  A+ [) P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
8 f4 c4 f2 e" Z7 J. N也很難將單晶片的經驗
運用到x86或是已經較為複雜的CPU系統上
6 ]1 C6 J+ i% \* T6 w  \4 \
因為CPU上頭又開始加入了越來越複雜的作業系統
1 t, e* H2 B$ q像是作業系統常提到的kernel mode, user mode
9 ~/ }$ r; L% m) W常常跟上述的專有名詞physical address or virtural address交互使用
. S3 a! L! w( l' N. ^' |例如刻板印象的『作業系統處於kernel mode時，使用physical address』
/ M* P* I5 t3 E4 s3 |. H8 E: i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

: p7 U5 H0 E' E; {. J  @: S那應該怎麼簡單來看待一個系統?
3 c8 I$ n& d% B; }; F+ H/ O
6 Y0 @9 I' d4 Z3 d2 ?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』

那麼這些資料又放在哪邊?他是如何去存取這些資料?

4 ?0 D; g4 X/ p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
* }8 B; x6 z  G" N. _7 \
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
3 F/ i% J8 I" |6 Q4 X5 m+ G0 `1. 硬體加速
2. 作業系統
& A7 H, a- A% N" u* ~4 z! N" b
+ V1 i! q. Y- P- X! k6 k; _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)
6 o( y6 ?+ Y, h7 [$ d/ L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。

CPU + arbiter bus + memory + DMA
, c5 n: P. }) s! r+ d3 B9 B& p( Q
接著我們從作業系統的角度來看:
- [  K4 f2 I1 D/ L9 p7 ]" J5 l
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。

  w7 X/ t! m. Q% o5 [& g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。
1 J" t0 B" {. w- D) J2 @; K
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。
5 {. j0 }# e" K. Q' c
4 n* s7 P! q+ j8 L8 _所以我們的系統變成了

. E  D% e! O) R! S, G2 r- `0 Hmulti-mode CPU + MPU + arbiter bus + memory + DMA

) @; S: k* u  h+ i$ ]& C4 |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。

" C) k8 K; e1 P6 i# `# C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。

9 k9 O/ d0 C, S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。

# }6 I8 J! Z$ s& x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。

" t" D/ n; r/ H% J% Q, Z, c# q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。

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。

例如：

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。
+ t( n& h; D& X. t) s
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。

到此，CPU多了MMU，現在大多包含MPU的功能。

: Q" I7 T3 {! h6 L) i! bmuti-mode CPU + MMU + arbiter bus + memory + DMA

* P0 V2 n1 h/ N, e! r$ ~! U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。

" q# q; \: C: q- f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。
# D9 s: u$ g. }0 w! S
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。
5 u4 w3 ^# C& ]* v4 i
& `6 s& T+ z! E0x0000 0000 --< mapping >-- 0xFF00 0000
. Q) A# k7 X9 m* [' h
# m$ I: o6 q% s; Q; ]1 V' ^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。
% X4 R  N- \7 O/ F- s) r, B
/ V% u* j# c1 v7 N$ D6 a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。

8 g- N2 ^, d, t. ]3 e5 d1 c1 P  o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。

8 h. V+ d8 w" z  }/ w! U% `- X! J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??

& d1 q2 G# @8 Z% l" c! o! u  d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。
& E/ i5 M9 t# s6 Q0 r
+ ~5 _& T* D, x6 C$ M* _why?!

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
. R+ \8 L4 m% g' k  [4 J所以processA要了某個區段 0x0~0x100
# v4 Z2 V; s% t* F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
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
雖然virtual address有4G但是process分一分
9 F* Q  p1 q( w0 V8 T2 U4 z1 x+ O' u還是可能不太夠
% ~% o7 F% c4 j
二、
& ?+ l* g8 m4 r- n# ~1 Z+ z3 CprocessB可以看到processA的address space
" ^  K8 a8 r/ f" O$ {0 Q3 d6 V! C表示我可以拿到相對應的資源
2 O' T& M: J5 I0 F! h  X這樣惡意程式很容易就得到一些記憶體上的個人資料
  j; d4 K& ?/ l
8 h1 m3 [$ T4 j" l$ N. ]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.
透過大大生動的描述.很多複雜的概念就淺顯易懂了.