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
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

- ^5 I+ O4 r. T  u& `3 e[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
9 N- _' [0 Q# x3 T- \* N. w常常會被一下子多出來的專有名詞搞混
4 U0 O+ l! D. w+ k# ?5 I8 r: w8 O3 a像是DMA, memory, cache, mmu, virtual address, physical address 等等
# }, e( i( V1 i! w6 P( A尤其大家一開始接觸電腦都是已經發展很久的x86系統
; I. [  l% U" B% T7 }即使有單晶片系統的實驗課程
1 J* T# B+ r: b- V6 u( x. a也很難將單晶片的經驗
8 j7 {4 ^  l( D3 ?6 V+ Y/ H1 @運用到x86或是已經較為複雜的CPU系統上

因為CPU上頭又開始加入了越來越複雜的作業系統
& |9 N/ S0 h, y* O像是作業系統常提到的kernel mode, user mode
8 R& A9 Q9 x" j% }% t& G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』
0 i/ g6 v* u* M& \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

# i9 P! e5 |1 B* L! h, H8 d* O* r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』
. g9 t( ?5 {( X3 t他是用來處理各種『資料』
2 `9 [& o+ @/ _. f4 ~% K5 u+ u: ?
那麼這些資料又放在哪邊?他是如何去存取這些資料?

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
  l2 H1 w* a& h: Y1 c/ ^) @
到目前為止，我們得到一個簡單的系統 CPU + bus + memory
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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:
; _, y1 a! C6 C
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。
9 \( n" x# K; m; K- p) u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。
* x( e4 m) k, K) I$ c9 p
CPU + arbiter bus + memory + DMA
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/ E6 U* c* F% k' |接著我們從作業系統的角度來看:
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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。
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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。

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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) w  e! r, O. D$ W所以我們的系統變成了
! u* J  j8 k3 g8 y
multi-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。
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$ }; K0 Q4 h7 j0 {) i9 [7 k: f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。

7 |% \" h& W# u0 t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。

" v9 S, X: j) y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。

" p! r5 A1 g/ |" S  j7 K  Y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。
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muti-mode CPU + MMU + arbiter bus + memory + DMA

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。

9 W" V% I) ?( @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。

; B. e; ^3 i4 J. m) }2 U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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: B) f) K( o* c( m" b9 }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。

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。

/ N: s2 x! p/ h, L4 C! t7 I$ l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。
/ \6 ?1 F* x5 Q( s( p) g3 D
$ v; p8 J6 X% V* X) F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。
: w" p& l  k- ?* }# S2 _# Q
: a" s* W6 j% ?3 W8 T但是這樣的差別就是有什麼好處??
# h( n2 @5 H  R+ x0 G
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。
( W! g: b$ L  K3 l6 h! N7 O
$ j( V# n! f- J( awhy?!

字數又超過啦~   

gogojesse

一、
/ t1 M7 s! b+ H7 a" |6 P9 H$ f/ j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
9 b1 }( h+ |( ~) Q& S+ S! m這樣processB就不能使用
: S/ f- J2 J+ B" _$ |很可能跑了一段時間之後整個系統的memory fragment就會變多
5 A6 d7 v. o% d+ W/ y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
/ K* o% }% ?% J# Y! H雖然virtual address有4G但是process分一分
  Y" f5 q  _5 @' [' l還是可能不太夠
* K* C0 Q( i/ w: z9 s; H9 q% l) H) W( o) o
, h  d) t; U: g. Z% [- A; ?, g二、
processB可以看到processA的address space
表示我可以拿到相對應的資源
2 d1 E+ G) M% B/ f這樣惡意程式很容易就得到一些記憶體上的個人資料

" d" z  S7 `3 w3 S7 n/ G7 W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.
7 _' S3 ], y1 j) K6 S0 R6 e# U透過大大生動的描述.很多複雜的概念就淺顯易懂了.