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[OS] 作業系統筆記-電腦系統架構

前言

本篇用於紀錄這學期修作業系統的筆記，會先從基本概念開始。

什麼是作業系統?

可以從兩個面向來討論

系統

為資源分配者(Resource Allocator)

  • 如何有效利用資源(CPU、Memory)
  • 如何解決資源利用的衝突

監控User Program的運行

User端可能會有一些不當行為的操作，如: 不小心刪除系統檔，此時就需要作業系統來替我們把關，例如透過管理使用權限來決定是否有權做某個重要檔案的讀寫，甚至刪除。

使用者

可以看作電腦使用者(User)與電腦硬體(Hardware)之間的溝通橋樑，並提供一個讓User Program易於執行的環境

作業系統做什麼

主要功能分為下列三項:

  • 資源的管理
  • 工作的管理
  • 讓使用者使用方便

電腦系統大致上可分為四個單元

  • 硬體(hardware)
  • 作業系統(OS)
  • 應用程式(application program)
  • 使用者(user)


每個device controller皆有自己的local buffer還有registers。

  • register: 用來儲存指令、變數的值
  • local buffer: 用於暫存資料，傳送至Memory進行讀取

系統內運行的工作分兩種

  • I/O Bound Job
    • 需要大量的I/O運作時間，對於CPU計算時間的需求量較少。
    • 效能好壞是取決於I/O Device的速度
  • CPU Bound Job
    • 需要大量的CPU計算的運作時間，對於I/O的需求量較少。
    • 效能好壞是取決於CPU的速度

電腦系統的架構種類

Single-Processor Systems

一台電腦只有單一顆CPU

Multiprocessor Systems

一台電腦有多顆CPU可以處理執行的程式(Process)，又作parallel systems(平行系統) or tightly coupled systems(緊密耦合系統)

特點

  • 共享相同的記憶體空間、I/O Device、Bus
  • 多個CPU之間的溝通(指Data交換)，大部份是採Share Memory技術

優點

  • 穩定度高
  • 處理效率較佳

種類

Multiprocessor Systems分兩種種類:

  • Symmetric Multiprocessing: 對稱式多元處理
  • Asymmetric Multiprocessing: 非對稱式多元處理

Symmetric Multiprocessing

每個Processor都有相同的工作(功能)，當某一個Processor壞了，該Processor上未完成的工作可以轉移到其它的Processor繼續執行。好處: 系統不會整個Crash

Asymmetric Multiprocessing

每個(或某群) Processor 各自負責不同的工作(功能)，其中有一個Processor負責控制、協調及分配Process到其它的Processors去運作，這個負責指揮的Processor稱作Master。
Asymmetric類似Master/Slave，除了MasterProcessor外，其餘的Processors稱為Slave Processor。

補充

Bootstrap program

當電腦開機時，電腦顯示載入資訊的畫面，此時是正在檢查環境資源，Bootstrap program並非放置在硬碟，而是燒錄在Bios上。

什麼是Bios?

Ref
從按下電源開關開始，到可以開始操作電腦為止，這中間電腦自動執行一連串的動作

開機大致分為五個過程階段，每個階段循序漸進，必需完成這些程序，電腦才能正常運作。五個階段如下 :

  • 初始階段（Initial Phase）
  • 開機載入階段（Boot Loader Phase）
  • 核心載入階段（Kernel Load Phase）
  • 核心初始化階段（Kernel Initiation Phase）
  • 登錄階段（Logon Phase）

BIOS 為初始階段過程的執行者

BIOS 的全稱為 “ Basic Input/Output System “，從字義上來解釋就是 : 基本的輸入及輸出系統。也就是說這個微系統控制著電腦的基本輸出及輸入裝置。開機時第一個啟動的程序就是 BIOS，必須先跑完 BIOS 這個程序，電腦才能繼續開機載入階段的後續動作。

在電腦的主機板上都會有 BIOS 晶片，而上面提到的BIOS就是寫在這個晶片中的程式。

程式(Program)

指的是一段靜態且可以被執行的指令集，簡單來說就是一個檔案(file)啦。

Process(行程)

正在執行中的程式(Program)，也就是正在執行，已經載入到記憶體執行的程式碼。

Interrupt(中斷)

CPU收到來自硬體或軟體發出的訊號(或稱事件; event)，進行相對應的處理。

上圖可以發現平時CPU主要在處理使用者端的程式，當I/O Device發出訊號，要求CPU暫時中斷來處理這個訊號時，就會發生中斷(Interrupt)。

軟體的中斷又作trap

優點：

相對於忙碌等待(busy waiting)、輪詢(polling)有更好的效率，因為不需要額外的資源去確認是否有事件要處理，使用中斷可以專心於正在處理的事件，不需要時也可以進入休眠狀態節省資源，亦可實現分時多工。

Interrupt 的處理流程

Setps

  1. 暫停目前process 之執行。
  2. 保存此process 當時執行狀況。
  3. OS 會根據Interrupt ID 查尋Interrupt vector。
  4. 取得ISR（Interrupt Service Routine）的起始位址。
  5. ISR 執行。
  6. ISR 執行完成，回到原先中斷前的執行。

作業系統的開機過程

按下開關(power on) -> Program Counter(程式計數器命令CPU run起來) -> Bootloader(載入Kernel，做初始動作) -> Disk -> Main Memory

記憶體的儲存單元比較

廣泛來分的話主要分

  1. Register(暫存器)：用來暫時存放資料、指令的地方
  2. Cache(快取)：將CPU運算的部份結果先放置於快取記憶體裡，待CPU要繼續運算時，能夠快速地讀取
  3. Main Memory(主記憶體): CPU執行程式時暫存資料的地方，會讀取、寫入記憶體，Main Memory大小會影響CPU處理的速度
  4. Disk(硬碟)

    Ref

    Register、Cache位於CPU內部進行管理

更細部的討論看這篇

Process同時執行的方式

  • Concurrent(並行)
    • 在單一時間點只有一個Process在執行!! 所強調的是一段執行時間內，有多Process同時執行，而非單一時間點。
    • 單一顆CPU即可做到。
    • 範例: Multiprogramming System
  • Parallel(平行)
    • 在單一時間點有很多的Process在執行!!
    • 需多顆CPU方可做到。
    • 範例:Multiprocessing System, Distributed System

參考

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