The Final Compendium الموجز الشامل (Compendium)

Comprehensive coverage of Memory, Storage, Files, I/O, and Security. The essential knowledge base for the Final Exam. تغطية شاملة للذاكرة، التخزين، الملفات، الـ I/O، والأمن. قاعدة المعرفة الأساسية للاختبار النهائي.

Modules 7-13 الوحدات 7-13

Module 7: Main Memory الوحدة 7: الذاكرة الرئيسية

Address Binding ربط العناوين (Address Binding)

Mapping code to physical addresses. تعيين الكود إلى عناوين مادية.

  • Compile Time: Absolute code. If start location changes, recompile. Compile Time (وقت الترجمة): كود مطلق. إذا تغير موقع البدء، يجب إعادة الترجمة.
  • Load Time: Relocatable code. Final binding when loaded. Load Time (وقت التحميل): كود قابل للنقل. الربط النهائي عند التحميل.
  • Execution Time: Binding delayed until run time. Needs MMU (Relocation Register). Execution Time (وقت التنفيذ): يتأخر الربط حتى وقت التشغيل. يحتاج MMU (سجل النقل).
Physical Addr = Logical Addr + Relocation Register Physical Addr = Logical Addr + Relocation Register

Fragmentation التجزئة (Fragmentation)

External خارجية Total memory exists, but not contiguous. إجمالي الذاكرة موجود، لكنه غير متصل.
Solved by Paging. تُحل بواسطة الـ Paging.
Internal داخلية Allocated memory is slightly larger than requested. الذاكرة المخصصة أكبر قليلاً من المطلوبة.
Unavoidable in Paging. لا مفر منها في الـ Paging.

Module 8: Virtual Memory الوحدة 8: الذاكرة الافتراضية

Effective Access Time (EAT) Effective Access Time (EAT)

The performance of Demand Paging relies on the Page Fault Rate ($p$). يعتمد أداء الـ Demand Paging على معدل خطأ الصفحة ($p$).

$$EAT = (1 - p) \times \texttt{mem_access} + p \times \texttt{fault_overhead}$$

*Fault overhead includes: Interrupt, Read Page (Disk I/O), Restart Process. Disk I/O (~8ms) is millions of times slower than RAM (~100ns). *تكلفة الخطأ تشمل: المقاطعة، قراءة الصفحة (Disk I/O)، إعادة تشغيل العملية. الـ Disk I/O (~8ms) أبطأ بملايين المرات من الرام (~100ns).

Replacement Algos خوارزميات الاستبدال

  • FIFO: Oldest out. Suffers Belady's Anomaly. FIFO: الأقدم يخرج. تعاني من Belady's Anomaly.
  • Optimal: Replace page used furthest in future. (Benchmark only). Optimal: استبدال الصفحة المستخدمة في أبعد مستقبل. (للمقارنة فقط).
  • LRU: Replace least recently used. (Best approximation). LRU: استبدال الأقل استخداماً مؤخراً. (أفضل تقريب).
  • Thrashing: Busy swapping pages. $\sum$ Locality > Total Memory. Thrashing: مشغول بتبديل الصفحات. مجموع الـ Locality > إجمالي الذاكرة.

Module 9: Mass Storage الوحدة 9: التخزين الشامل

RAID Levels مستويات RAID

RAID 0
A1
A2
A3
Striping (Fast) Striping (سريع)
RAID 1
A1
A1
Empty
Mirroring (Safe) Mirroring (آمن)
RAID 5
A1
A2
P
Parity (Balanced) Parity (متوازن)

Disk Scheduling جدولة القرص (Disk Scheduling)

Goal: Minimize Seek Time (Arm movement). الهدف: تقليل Seek Time (حركة الذراع).

  • FCFS: Fair, but head jumps around wildly. FCFS: عادلة، لكن الرأس يقفز بشكل عشوائي.
  • SCAN (Elevator): Head moves end-to-end. Biased distribution. SCAN (المصعد): يتحرك الرأس من النهاية للنهاية. توزيع متحيز.
  • C-SCAN (Circular): Head moves end-to-end, then jumps back to start immediately. Provides Uniform Wait Time. C-SCAN (الدائري): يتحرك الرأس للنهاية، ثم يقفز للبداية فوراً. يوفر وقت انتظار موحد.

Module 10: I/O Systems الوحدة 10: أنظمة الإدخال/الإخراج

Polling Polling

Busy-wait loop. Good for fast devices. Wasteful for slow ones. حلقة انتظار نشطة. جيدة للأجهزة السريعة. مهدرة للأجهزة البطيئة.

Interrupts Interrupts

Device signals CPU. CPU saves state, runs handler. Good for slow devices. الجهاز يرسل إشارة للمعالج. المعالج يحفظ الحالة ويشغل المعالج. جيدة للأجهزة البطيئة.

DMA DMA

Direct Memory Access. Controller writes block to memory. Interrupt only at end. الوصول المباشر للذاكرة. وحدة التحكم تكتب الكتلة في الذاكرة. المقاطعة في النهاية فقط.

Module 11: File Systems الوحدة 11: أنظمة الملفات

On-Disk Structures هياكل القرص (On-Disk Structures)

  • Boot Control Block: Bootloader code. Boot Control Block: كود محمل الإقلاع.
  • Volume Control Block: Total blocks, free count. Volume Control Block: إجمالي الكتل، العدد الحر.
  • Directory Structure: Maps File Names $\to$ FCBs. هيكل الدليل: يربط أسماء الملفات $\to$ FCBs.
  • FCB (Inode): Permissions, Size, Data Pointers. FCB (Inode): الأذونات، الحجم، مؤشرات البيانات.

Allocation Methods طرق التخصيص

Methodالطريقة Prosإيجابيات Consسلبيات
Contiguousمتجاور Fast readقراءة سريعة External Fragتجزئة خارجية
Linkedمتصل No Fragلا تجزئة Slow Seekبحث بطيء
Indexedمفهرس Direct Accessوصول مباشر Index Overheadعبء الفهرس

Mod 12/13: Security & Virtualization الوحدات 12/13: الأمن والمحاكاة الافتراضية

Access Matrix مصفوفة الوصول (Access Matrix)

Rows = Domains, Columns = Objects. الصفوف = النطاقات، الأعمدة = الكائنات.

Implementation:التنفيذ:
1. ACL (Column):ACL (العمود): List on Object. "Who can access me?"قائمة على الكائن. "من يستطيع الوصول إلي؟"
2. Capability (Row):Capability (الصف): List on User. "What can I access?"قائمة على المستخدم. "ماذا يمكنني الوصول إليه؟"

Hypervisors Hypervisors

  • Type 0: Hardware/Firmware based. Type 0: قائم على العتاد/البرامج الثابتة.
  • Type 1 (Bare Metal): Runs directly on hardware (ESXi, Hyper-V). Faster. Type 1 (Bare Metal): يعمل مباشرة على العتاد. أسرع.
  • Type 2 (Hosted): Runs on Host OS (VirtualBox). Slower. Type 2 (Hosted): يعمل على نظام تشغيل مضيف. أبطأ.
  • Technique: Trap-and-Emulate (Privileged instructions trap to VMM). التقنية: Trap-and-Emulate (تعليمات الامتياز تسبب Trap للـ VMM).
PROFESSOR'S SECRETS أسرار البروفيسور

The Mega Vault: Final Exam Edition الخزنة الكبرى: إصدار الاختبار النهائي

Belady's Anomaly Belady's Anomaly

Happens ONLY in FIFO. Increasing frame count can INCREASE page faults. Does NOT happen in LRU/Optimal (Stack Algorithms). تحدث فقط في FIFO. زيادة عدد الإطارات قد تزيد أخطاء الصفحة. لا تحدث في LRU/Optimal.

TLB Flush TLB Flush

Context Switching requires Flushing the TLB because virtual addresses of the new process map to different physical frames. This makes switching expensive. تبديل السياق يتطلب مسح الـ TLB لأن العناوين الافتراضية للعملية الجديدة ترتبط بإطارات مادية مختلفة. هذا يجعل التبديل مكلفاً.

DMA & Caches DMA والكاش

DMA writes directly to RAM, bypassing CPU Cache. This causes Cache Incoherency (CPU sees stale data). Hardware must invalidate cache lines. الـ DMA يكتب مباشرة للرام، متجاوزاً كاش المعالج. هذا يسبب Cache Incoherency (يرى المعالج بيانات قديمة). يجب على العتاد إبطال خطوط الكاش.

Modify Bit Modify (Dirty) Bit

During Page Replacement, check the Modify (Dirty) Bit. If 0, no need to write back to disk. Saves 50% I/O overhead. أثناء استبدال الصفحة، افحص Modify Bit. إذا كان 0، لا حاجة للكتابة للقرص. يوفر 50% من عبء الـ I/O.

Hard vs Soft Link الرابط الصلب vs اللين

Hard Link: Points to Inode. Valid if original file deleted. Soft Link: Points to Path. Broken (dangling) if original file deleted. الصلب: يشير للـ Inode. صالح حتى لو حذف الأصلي. اللين: يشير للمسار. ينكسر إذا حذف الملف الأصلي.

RAID Parity RAID Parity

RAID 5 protects against 1 Disk Failure. It is NOT a backup. It protects Availability, not Data Integrity against corruption/virus. RAID 5 يحمي من فشل قرص واحد. هو ليس نسخاً احتياطياً. يحمي التوافر، وليس سلامة البيانات من الفساد/الفيروسات.