O perating s ystems t hree e asy p ieces

References

[C63] “A Multiprocessor System Design”

Melvin E. Conway

AFIPS ’63 Fall Joint Computer Conference

New York, USA 1963

An early paper on how to design multiprocessing systems; may be the first place the term fork() was

used in the discussion of spawning new processes.

[DV66] “Programming Semantics for Multiprogrammed Computations”

Jack B. Dennis and Earl C. Van Horn

Communications of the ACM, Volume 9, Number 3, March 1966

A classic paper that outlines the basics of multiprogrammed computer systems. Undoubtedly had great

influence on Project MAC, Multics, and eventually U

NIX

.

[L83] “Hints for Computer Systems Design”

Butler Lampson

ACM Operating Systems Review, 15:5, October 1983

Lampson’s famous hints on how to design computer systems. You should read it at some point in your

life, and probably at many points in your life.

[SR05] “Advanced Programming in the U

NIX

Environment”

W. Richard Stevens and Stephen A. Rago

Addison-Wesley, 2005

All nuances and subtleties of using U

NIX

APIs are found herein. Buy this book! Read it! And most

importantly, live it.

c

 2014, A

RPACI

-D

USSEAU

T

HREE

E

ASY

P

IECES

---

---

6

Mechanism: Limited Direct Execution

In order to virtualize the CPU, the operating system needs to somehow

share the physical CPU among many jobs running seemingly at the same

time. The basic idea is simple: run one process for a little while, then

run another one, and so forth. By time sharing the CPU in this manner,

virtualization is achieved.

There are a few challenges, however, in building such virtualization

machinery. The first is performance: how can we implement virtualiza-

tion without adding excessive overhead to the system? The second is

control: how can we run processes efficiently while retaining control over

the CPU? Control is particularly important to the OS, as it is in charge of

resources; without control, a process could simply run forever and take

over the machine, or access information that it should not be allowed to

access. Attaining performance while maintaining control is thus one of

the central challenges in building an operating system.

T

HE

C

RUX

:

H

OW

T

O

E

FFICIENTLY

V

IRTUALIZE

T

HE

CPU W

ITH

C

ONTROL

The OS must virtualize the CPU in an efficient manner, but while re-

taining control over the system. To do so, both hardware and operating

systems support will be required. The OS will often use a judicious bit of

hardware support in order to accomplish its work effectively.

6.1 Basic Technique: Limited Direct Execution

To make a program run as fast as one might expect, not surprisingly

OS developers came up with a technique, which we call limited direct