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
2 B% B2 |* t6 H以下試圖以自己的體認和觀點  以簡單的辭彙
+ F  U* {4 R5 k去解釋一些process與系統演進的方式
5 `# [* s' C* L0 I' F如果有誤或是清楚的地方  歡迎大家討論
! I( `% `7 C' j7 B+ O
1 t- [! z! t2 z( }! V[本文開始]
. W3 z1 l5 e$ {$ e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
( _# x7 O% H, o/ z& N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
& n: A& R/ }. i7 o5 s1 z8 x/ l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
! w6 r3 T3 A: J3 n9 Z運用到x86或是已經較為複雜的CPU系統上

8 V, r3 l4 ]9 u3 p- [2 Y8 W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
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
. E4 P. m# ]& x& A
7 i- W* k: c4 R4 ~那應該怎麼簡單來看待一個系統?
* F% Z) W: g2 X& \
首先，我們回歸到CPU這個字的字義上，我們稱呼它為『處理器』
% D9 W( p. f* K, W" I4 y他是用來處理各種『資料』
+ m8 L0 \* `5 ]4 u9 N
那麼這些資料又放在哪邊?他是如何去存取這些資料?

. `  ?& [3 }! Y6 ^: h9 |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
' Z" q  k) H4 ]2 o, `  R7 B
7 ~& c! @/ n6 a' H9 y( f到目前為止，我們得到一個簡單的系統 CPU + bus + memory

' [) N; w* ~0 ~! B  _接著，我們用兩個角度去看這個簡單系統的發展
5 Z( h- C2 A1 f  a1. 硬體加速
4 }% v, e7 N4 J* _- `- O% g2. 作業系統

. X2 p  s- A/ V" v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)
" A9 J/ N( l( u% v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
' h+ Y, u; y8 l4 B" @$ f5 z/ a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。
- l4 S4 A: x# q2 H3 c4 s
  x2 l! x7 p. ]- R. |2 T: bCPU + arbiter bus + memory + DMA
! c9 e; ~5 v: p$ J
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。
! P4 [0 a0 `1 }* V" b0 R
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。
/ T! I$ H9 Q# y
* N# x' t* j: U, p3 g4 a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。
9 i$ w" p. R2 v
2 x2 f3 x  R1 r' N所以我們的系統變成了
; W; q6 e) S1 r
8 B" q' [) \8 x, X' m) imulti-mode CPU + MPU + arbiter bus + memory + DMA
) C" H  c2 k8 i% Z7 O
- u5 ~0 M' V6 X9 \因為字數限制，部分貼到回文當中  =)

rogeryang

希望大大以後多多發表文章.
+ i$ w  W' O; U, ~3 a透過大大生動的描述.很多複雜的概念就淺顯易懂了.

gogojesse

一、
6 b0 w6 u$ P! |如果大家都在同一個page table上
! L4 _* Y9 g5 k$ @3 k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
0 V1 u# A* f6 V7 W很可能跑了一段時間之後整個系統的memory fragment就會變多
+ y( ^3 l- [6 @) b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
! y* F! _: ]2 n. F9 O: X/ O! o雖然virtual address有4G但是process分一分
還是可能不太夠

: _, J/ m8 R: c  z二、
5 O! U) b2 y# T& J8 oprocessB可以看到processA的address space
表示我可以拿到相對應的資源
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
理解。沒表達清楚的地方歡迎提出來討論。

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。

( U/ }# z; ?2 n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。

! [9 W6 A- p( T; l4 W9 K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。
' z8 j, S; t7 r( 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。

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。
- {- S+ ^) H/ s/ B4 k9 Q6 X
, j" z; ^' }: ^4 _8 d例如：

" Y/ B( G3 _; c9 r5 e+ p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。
$ P5 g6 a4 b2 p* f  \0 U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。

+ ~# y0 c! J  y8 p9 ^& X0 \到此，CPU多了MMU，現在大多包含MPU的功能。

muti-mode CPU + MMU + arbiter bus + memory + DMA
- k% \8 S( h8 L: s! b  |: ?
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。
/ M3 C4 z, G7 W8 Z' z
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。

/ O, \, m( Q0 g1 r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。
: Y3 }' X  z& j3 m3 k
3 Y3 }$ ]" i+ p3 D, o4 L! @0x0000 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。
7 [0 j8 a: ~7 m) C' e
* H9 a1 H2 H0 _0 r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。

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。

/ _7 @4 j/ f4 Z2 F+ I' q8 S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。
/ N+ Z2 q! L3 O# d9 |7 ?1 ]
但是這樣的差別就是有什麼好處??

  _, t. g- L/ y3 i% 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。

: H+ p3 G' u) K( i1 lwhy?!

6 G* A9 U, K  D1 H- {字數又超過啦~