1. โครงสร้า งของระบบ
คอมพิว เตอร์
Computer-System Structure
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
Computer Architecture
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ

2. วัต ถุป ระสงค์ก ารเรีย นรู้
เพื่อทำาความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของระบบ
ปฏิบัติการ โดยศึกษาถึงโครงสร้างพื้นฐานของ
ระบบคอมพิวเตอร์ และโครงสร้างของระบบปฏิบัติ
การ
เพื่อให้รู้เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมพื้นฐานของระบบ
คอมพิวเตอร์ โครงสร้างสร้างหน่วยรับเข้า/ส่งออก
โครงสร้างหน่วยเก็บ ลำาดับชั้นของหน่วยเก็บ และ
การป้องกันระดับฮาร์ดแวร์ และสถาปัตยกรรมของ
ระบบทั่วไป
เพื่อให้รู้เกี่ยวกับโครงสร้างระบบปฏิบัติการ
โปรแกรมระบบ โครงสร้างระบบ และเครื่องเสมือน
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 2

3. Agenda
Computer System Operation
I/O Structure
Storage Structure
Storage Hierarchy
Hardware Protection
General System Architecture
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 3

4. ปฏิบ ัต ิก ารของระบบคอมพิว เตอร์
(computer-system operation)
ระบบคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ปัจจุบันประกอบด้วย ซีพียู และกลุ่ม
ของตัวควบคุมอุปกรณ์ (device controller) ซึ่งเชื่อมต่อเพื่อเข้า
ถึงหน่วยความจำาผ่านทางบัสระบบ (system bus)
อุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีตัวควบคุมอุปกรณ์เฉพาะแยกจากกัน โดย
มี local buffer
ซีพียและตัวควบคุมอุปกรณ์ทั้งหมดสามารถทำางานไปพร้อมๆ กัน
ู
ได้
ซีพียจะย้ายข้อมูลเข้า/ออกระหว่างหน่วยความจำาหลักกับ local
ู
buffer
ตัวควบคุมอุปกรณ์จะบอกซีพียว่าอุปกรณ์ทำางานเสร็จแล้วหรือยัง
ู
โดยวิธีขัดจังหวะ (interrupt)
เพื่อประกันว่าลำาดับการเข้าถึงหน่วยความจำานี้เป็นไปอย่างถูก
ต้อง จะเป็นหน้าที่ของตัวควบคุมหน่วยความจำาที่จะเป็นผู้คอยจัด
จังหวะ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 4

5. ภาพที่ 2.1 ระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 5

6. Computer-System Operation (cont.)
เมื่อเปิดเครื่องหรือรีบูต (reboot) จะมีโปรแกรม
เล็กๆ ถูกโหลดเข้าหน่วยความจำาหลักเพื่อใช้ใน
การเริ่มระบบ เรียกว่า โปรแกรมปลุกเครื่อง หรือ
โปรแกรมบูต (bootstrap program)
เมื่อ os ถูกบรรจุ (load) เข้ามาไว้ในหน่วยความ
จำาแล้วจึงเริ่มกระบวนการเริ่มต้น (init process)
หรือ UPP (Universal Progenitor Process)
และพร้อมที่ทำางานโดยการรอคอยเหตุการณ์บาง
อย่าง
เหตุการณ์จะเกิดขึ้นโดยอาศัยสัญญาณการ
ขัดจังหวะ (interrupt) ซึ่งถูกส่งมาโดยฮาร์ดแวร์
หรือซอฟต์แวร์
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 6

7. หน้า ที่ข องการขัด จัง หวะ
Common Functions of Interrupts
ฮาร์ดแวร์อินเทอร์รัพท์จะถูกส่งไปยังซีพียูผ่านทางบัสระบบ
ซอฟต์แวร์อนเทอร์รัพท์จะอาศัยคำาสั่งปฏิบัติการพิเศษที่เรียก
ิ
ว่า การเรียกระบบ (system call หรือ monitor call)
การขัดจังหวะแต่ละชนิดจะได้รับการตอบสนองด้วย service
routine ที่เหมาะสมกับการขัดจังหวะนั้นๆ
เมื่อซีพียูถูกขัดจังหวะมันจะหยุดทำางานชั่วคราวเพื่อให้
อุปกรณ์ทำาการถ่ายข้อมูลจนแล้วเสร็จ เพื่อป้องการสูญเสีย
การขัดจังหวะ (lost interrupt) จากนั้น ซีพียูจึงจะกลับไป
ทำางานที่ค้างอยู่ต่อไป
OS จะรักษาสถานะของซีพียูปัจจุบันไว้โดยเก็บเรจิสเตอร์
และตัวนับโปรแกรมขณะนั้น (program counter)
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 7

8. Common Functions of Interrupts
(cont.)
การขัดจังหวะจะส่งมอบการควบคุมไปยัง รูทีนบริ
การขัดจังหวะ (interrupt service routine) ผ่าน
ทาง อินเทอร์รัพต์เว็กเตอร์ (interrupt vector) ซึ่ง
บรรจุที่อยู่ของรูทีนบริการทั้งหมดไว้
สถาปัตยกรรมการขัดจังหวะจะต้องจัดเก็บที่อยู่
ของคำาสั่งที่ถูกขัดจังหวะ
แทร็บ (Trap) คือการขัดจังหวะโดยซอฟต์แวร์ที่
อาจเกิดโดยข้อผิดพลาด หรือผู้ใช้ร้องขอ
ในฐานะนี้ OS จึงเป็น interrupt driven.
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 8

9. ภาพที่ 2.2 ช่วงเวลาของการขัดจังหวะสำาหรับ
กระบวนการเดียวที่กำาลังแสดงผลลัพธ์
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 9

10. I/O Structure
หลังจาก i/o เริ่มต้น, การควบคุมจะถูกส่งกลับ
ไปยังโปรแกรมผู้ใช้เมือปฏิบัติการของ i/o สิ้น
่
เสร็จลง (I/O completion) เท่านัน
้
 รอคำาสั่งว่างของซีพยู (CPU idle) จนกว่าจะถึงการ
ี
ขัดจังหวะถัดไป
 รอลูป (Wait loop) เพื่อใช้หน่วยความจำา
 อย่างน้อยการร้องขอ i/o หนึ่งครั้งเสร็จสิ้นลงและ
ไม่ต้องทำางานต่อไป
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 10

11. I/O Structure (cont.)
หลัง i/o เริ่มต้น, การควบคุมจะถูกส่งกลับไปยัง
โปรแกรมผู้ใช้โดยปราศจากการรอให้ i/o
ปฏิบัติการเสร็จสิน (I/O completion)
้
 การเรียกระบบ (System call) – การร้องขอไปยัง
OS เพื่อขอให้ผู้ใช้รอจนกว่าปฏิบัติการของ i/o จะ
เสร็จสิ้น
 ตารางสถานะอุปกรณ์ (Device-status table)
บรรจุรายการเกี่ยวกับการขอใช้อปกรณ์ เช่น ชนิด
ุ
ที่อยู่ และสถานะ เป็นต้น
 OS จะสร้างดัชนีชี้ไปยังตารางอุปกรณ์ i/o เพื่อดู
สถานะของอุปกรณ์ และแก้ไขรายการในตาราง
รวมทั้งการขัดจังหวะ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 11

12. I/O Structure (cont.)
วิธีทซีพยูต้องรอให้การเสร็จสิ้นไอ/โอ เสียก่อน
ี่ ี
นี้ เรียกว่า ประสานเวลา หรือซิงโครนัส
(synchronous)
ส่วนวิธีที่ตรงกันข้ามเรียกว่า ไม่ประสานเวลา
หรืออะซิงโครนัส (asynchronous)
ในกรณีทเป็นประสานเวลา ซึง ซีพียต้องรอ
ี่ ่ ู
ให้การเสร็จสินไอ/โอ นัน ในระหว่างทีซีพยูรอ
้ ้ ่ ี
จำาเป็นต้องมีคำาสั่งพิเศษ เรียกว่า คำาสั่งรอ
(wait instruction) ไปเรื่อยๆ จนกว่าจะได้รับ
การขัดจังหวะใหม่
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 12

13. Two I/O Methods
Synchronous Asynchronous
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 13

14. Device-Status Table
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 14

15. I/O Structure (cont.)
ในกรณีของอะซิงโครนัส i/o
 จะเพิมประสิทธิภาพของระบบ ในระหว่างที่ i/o
่
กำาลังทำางานอยู่ ซีพยูสามารถดำาเนินการงานอืน
ี ่
หรือเริ่มทำา i/o ของอุปกรณ์ตัวอื่นไปพร้อมๆ กันได้
 แต่การเหลื่อมการทำางานในลักษณะนี้ก็ยังมีข้อ
จำากัดเนื่องจากความแตกต่างกันระหว่างความเร็ว
ของ i/o กับซีพยูมีมาก
ี
 ต้องใช้ DMA เข้ามาช่วย
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 15

16. โครงสร้า ง DMA
(DMA Structure)
DMA (Direct Memory Access) จะใช้ในอุปกรณ์ไอ/
โอ ทีมีความเร็วสูง เช่น เทป ดิสก์ เครือข่ายสื่อสาร
่
เป็นต้น
ถ้าโปรแกรมผู้ใช้หรือ OS ต้องการรับ-ส่งข้อมูล,
 OS จะหา บัฟเฟอร์ที่ต้องการ (บัฟเฟอร์ว่าง สำาหรับนำาเข้า,
บัฟเฟอร์เต็มสำาหรับส่งออก) จากอาณาบริเวณของบัฟเฟอร์
 จากนั้น ตัวขับอุปกรณ์จะเซ็ตค่าเรจิสเตอร์ของตัวควบคุม
DMA เพื่อระบุต้นทาง ปลายทาง และขนาดที่จะส่ง
 หลังจากนั้น DMA จะควบคุมและดำาเนินการส่งข้อมูลระหว่าง
i/o กับหน่วยความจำา
 ในระหว่างนั้น ซีพียูกเป็นอิสระที่ทำางานอย่างอื่นได้ จน
็
กระทั่งการส่งข้อมูลเสร็จสิ้น DMA จะส่งสัญญาณขัดจังหวะ
ซีพียู อีกครั้งหนึ่ง
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 16

17. simple DMA Structure
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 17

18. MAR (memory address register)
DMA Structure
MDR (memory data register)
CU (Control Unit)
PC (Program Counter)
IR (Instruction Register)
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 18

19. โครงสร้า งของหน่ว ยเก็บ
(Storage Structure)
โดยหลักการแล้ว เราต้องการฝังโปรแกรมและข้อมูลไว้ภายใน
หน่วยความจำาหลักอย่างถาวรตลอดเวลา แต่เป็นไปไม่ได้ดวย
้
สาเหตุสำาคัญ 2 ประการ
 หน่วยความจำาหลักมีขนาดน้อยเกินกว่าที่จะสามารถเก็บโปรแกรม
และข้อมูลที่ต้องการไว้ทั้งหมดได้
 หน่วยความจำาหลักเป็นอุปกรณ์ประเภทหน่วยเก็บลบเลือนได้
(volatile storage)
จึงจำาเป็นต้องมีหน่วยเก็บรอง (secondary storage) ที่สามารถ
เก็บโปรแกรมและข้อมูลปริมาณมากไว้ได้อย่างถาวร
ปัจจัยสำาคัญทีควรพิจารณาได้แก่
่
 ความเร็ว
 ต้นทุน
 ขนาด
 การลบเลือนได้
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 19

20. จานแม่เ หล็ก (Magnetic Disk)
ความเร็วของดิสก์มาจาก 2 ส่วน
 transfer rate คืออัตราความเร็วที่ใช้ในการส่งถ่าย
ข้อมูลจากอุปกรณ์ไปยังคอมพิวเตอร์ ซึ่งมีหน่วยวัด
เป็นเมกะบิตต่อวินาที (megabit per second)
 positioning time หรือ random access time ซึ่ง
มีหน่วยวัดเป็นมิลลิวินาที (millisecond) ประกอบ
ด้วย
 seek time เป็นเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนหัวอ่าน
ไปยังร่อง (track) ที่ต้องการ
 -rotational latency เป็นเวลาที่ใช้ในการค้นหา
เซกเตอร์ที่ต้องการ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 20

21. Moving-Head Disk Mechanism
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 21

22. ลำา ดับ ชัน ของหน่ว ยเก็บ
้
Storage Hierarchy
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 22

23. Caching
ใช้เป็นหน่วยความจำาความเร็วสูงในการเก็บ
ข้อมูลทีมกถูกเรียกใช้งานบ่อย
่ ั
จำาเป็นต้องมีนโยบายการจัดการแคช/แทนที่
แคช (cache management/replacement
policy)
แคชถูกนำาไปใช้ในหน่วยเก็บหลายระดับ อาจ
มีปัญหาการปรับค่าข้อมูลในแคชแต่ละระดับ
ไม่ถกต้องได้ เรียกว่า การเกาะกลุ่มและความ
ู
ต้องกัน (Coherency and Consistency)
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 23

24. Cache Structure
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 24

25. Migration of A From Disk to
Register
ปัญหาการเกาะกลุ่มและความต้องกัน (Coherency and
Consistency) ทีข้อมูลในแคชแต่ละระดับไม่สอดคล้องกัน
่
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 25

26. การป้อ งกัน ระดับ ฮาร์ด แวร์
Hardware Protection
Dual-Mode Operation
I/O Protection
Memory Protection
CPU Protection
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 26

27. การดำา เนิน การโหมดคูก ัน
่
(Dual-Mode Operation)
เพื่อประกันความถูกต้องของการปฏิบัติการและทุก
โปรแกรม ตลอดทั้งข้อมูลของโปรแกรมเหล่านั้นจาก
การรุกรานของโปรแกรมผิดปกติ การปกป้องนี้มีความ
จำาเป็นต้องใช้ โหมด (modes) ในการปฏิบัติการ
ได้แก่
 โหมดผู้ใช้ (user mode)
 โหมดมอนิเตอร์ (monitor mode)
ทั้งสองโหมดจะใช้ฮาร์ดแวร์เข้ามาช่วย โดยกำาหนด
mode bit ให้ monitor (0) และ user (1)
ทำาให้ปฏิบัติการกับคำาสั่งบางอย่างจะสามารถทำาได้
ด้วยเฉพาะในฐานะของระบบปฏิบัติการเท่านั้น และ
บางคำาสั่งจะทำาได้ในฐานะของผู้ใช้
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 27

28. Dual-Mode Operation (cont.)
การออกแบบระบบปฏิบัติการโดยป้องกันคำาสั่งระดับเครื่องที่อาจเป็น
อันตรายอย่างเช่นคำาสั่งจำาพวก คำาสั่งอภิสิทธิ์ (privileged
instructions)
โดยกำาหนดให้ฮาร์ดแวร์จะยอมรับคำาสั่งประเภทอภิสิทธิ์จากการ
ปฏิบัติการใน monitor mode เท่านั้น
ถ้ามีความพยายามที่จะเรียกใช้คำาสั่งเหล่านี้จาก user mode,
ฮาร์ดแวร์จะถือว่าเป็นการกระทำาที่ผิดปกติและจะ trap ไปยังระบบ
ปฏิบัติการทันที
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 28

29. การป้อ งกัน i/o
(I/O Protection)
กำาหนดให้ทุกคำาสั่งเกี่ยวกับ i/o เป็นคำาสั่ง
อภิสิทธิ์
ต้องประกันว่าโปรแกรมผู้ใช้จะไม่ได้รับ
อนุญาตให้ควบคุมคอมพิวเตอร์ในฐานะโหมด
มอนิเตอร์ได้
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 29

30. Use of A System Call to Perform
I/O
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 30

31. การป้อ งกนหน่ว ยความจำา
(Memory Protection)
ต้องปกป้อง interrupt vector (ตารางที่เก็บตัวชี้
ไปยัง interrupt service) ไม่ให้ถูกแก้ไขค่าได้
โดยโปรแกรมผู้ใช้
และปกป้องรูทีนบริการขัดจังหวะ (interrupt
service routine) ในระบบปฏิบัติการไม่ให้ถูก
แก้ไขได้
จุดมุ่งหมายก็เพื่อป้องกันการรุกลำ้าระบบปฏิบัติการ
จากโปรแกรมผู้ใช้ และป้องกันโปรแกรมผู้ใช้จาก
การรุกลำ้าของผู้ใช้คนอื่นทั้งโดยเจตนาและไม่
เจตนา
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 31

32. Memory Protection (cont.)
ทำาได้โดยจัดสรรหน่วยความจำาออกเป็นส่วนๆ
โดยยินยอมให้โปรแกรมผู้ใช้เข้าถึงได้เฉพาะ
พื้นที่ของตนเองที่ได้รับอนุญาตเท่านั้น ด้วยการ
ใช้ เรจิสเตอร์ 2 ตัว
 base register เก็บค่าเริ่มต้นของหมายเลขตำาแหน่ง
หน่วยความจำาที่ยอมให้ใช้งานได้
 limit register เก็บค่าขนาดของพื้นที่หน่วยความที่จะ
ยอมให้ใช้ได้
พื้นที่ของหน่วยความจำาอาจแบ่งออกเป็นส่วน
หลักๆ ได้แก่ ส่วนของระบบปฏิบัติการ และ ส่วน
ของผู้ใช้
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 32

33. Use of A Base and Limit
Register
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 33

34. Memory Protection (cont.)
โดยที่ ซีพียู จะกำาหนดหมายเลขพื้นที่หน่วยความ
จำาทั้งหมดไว้ใน เรจิสเตอร์ ด้วย monitor mode
ถ้ามีความพยายามที่จะใช้ monitor mode เพื่อ
เข้าถึง monitor memory หรือรุกลำ้าพื้นที่ของผู้
ใช้คนอื่น ก็จะเกิด trap ไปยังระบบปฏิบัติการ
base และ limit registers ต้องถูกกำาหนดค่าได้
โดยระบบปฏิบัติการเท่านั้นโดยการใช้คำาสั่งพิเศษ
ประเภทอภิสิทธิ์ (special privileged instruction)
ซึ่งทำาได้เฉพาะใน monitor mode เท่านั้น
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 34

35. Hardware Address Protection
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 35

36. การป้อ งกัน ซีพ ีย ู
(CPU Protection)
โดยที่เราจะต้องปกป้องโปรแกรมผู้ใช้ไม่ให้ติด
บ่วงอยู่ในวังวนไม่รู้จบ (infinite loop) และไม่ยอม
ส่งคืนการควบคุมให้แก่ระบบปฏิบัติการ วิธีการนี้
เราจะใช้ timer ซึ่งเป็นฮาร์ดแวร์ เข้ามาช่วย
timer สามารถตั้งค่าการขัดจังหวะคอมพิวเตอร์
ตามเวลาที่กำาหนด ซึ่งอาจเป็นเวลาคงที่หรือแปร
เปลี่ยนก็ได้
โดยจะถูกใช้อัตราที่คงที่ของนาฬิกาและตัวนับ
(counter) ซึ่งระบบปฏิบัติการจะเป็นผู้ตั้งค่าตัวนับ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 36

37. สถาปัต ยกรรมของระบบทั่ว ไป
(General System Architecture)
Computer system utilization นำาไปสู่
 ระบบหลายโปรแกรม (multiprogramming)
 ระบบแบ่งเวลา (time sharing) ที่ยินยอมให้
ทรัพยากรของระบบสามารถถูกใช้งานได้จาก
หลายโปรแกรมและหลาย process
การแบ่งสรร (sharing) ได้นำาไปสู่
 การปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมพื้นฐานของ
คอมพิวเตอร์ที่ยินยอมให้ os สามารถดูแลการ
ควบคุม (control) อยู่เหนือระบบคอมพิวเตอร์ และ
i/o
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 37

38. General System Architecture
(cont.)
การดูแลการควบคุมโดยอาศัย dual mode
 user mode
 monitor mode
โครงสร้างนีสนับสนุนหลักการของคำาสั่ง
้
อภิสิทธิ์ (privileged instructions) ทีสามารถ
่
ถูกกระทำาได้เฉพาะ monitor mode
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 38

39. General System Architecture
(cont.)
คำาสั่งอภิสิทธิ์ (privileged instructions)
 I/O instructions
 คำาสังเกี่ยวกับการแก้ไขค่าเรจิสเตอร์สำาหรับจัดการ
่
หน่วยความจำา และ timer
 คำาสังหยุด (halt instruction)
่
 คำาสังเกี่ยวกับการเปิด/ปิดระบบการขัดจังหวะ
่
 คำาสังในการเปลี่ยนจาก user mode เป็น monitor
่
mode รวมทั้งการเปลียนค่า mode bit ของ
่
ฮาร์ดแวร์
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 39

40. โครงสร้า งระบบ
(system structure)
โครงสร้างอย่างง่าย (simple structure)
โครงสร้างแบบลำาดับชั้น (layered approach)
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 40

41. โครงสร้า งอย่า งง่า ย
(simple structure)
โปรแกรมผู้ใช้จึงสามารถเข้าถึง เรียกใช้ และ
ครอบครองทรัพยากรระบบได้อย่างอิสระ และ
โดยสมบูรณ์ โดยไม่จำาเป็นต้องร้องขอผ่าน
monitor mode
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 41

42. ภาพที่ 2.12 โครงสร้างแบบลำาดับชันของ MS-
้
DOS
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 42

43. ภาพที่ 12.3 โครงสร้างระบบยูนิกซ์
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 43

44. โครงสร้า งแบบลำา ดับ ชัน
้
(layered approach)
การออกแบบในลักษณะลำาดับชั้นเป็นส่วนๆหรือ modularity
ระดับล่างเป็นระดับที่ใกล้ชิดกับระดับของฮาร์ดแวร์ (layer 0)
ขึ้นไปจนถึงระดับบนสุด (lever N) เป็นระดับของส่วนติดต่อผู้
ใช้ (user interface)
คุณลักษณะที่ดีของระบบแบบลำาดับชั้น (layered approach)
 ความเป็นหน่วย (modularity) ที่อิสระต่อกัน
 แต่ละหน่วยมีหน้าที่เฉพาะตามลำาดับชั้น
 ชั้นล่างจะจัดหาบริการที่เหมาะสมให้ชั้นบน
 การสร้าง แก้ไข ตรวจหาความผิดพลาดเป็นเรื่องไม่ยาก
 สามารถควบคุมและจำากัดความผิดพลาดในแต่ละระดับ
 ยุ่งยากมากในการออกแบบหน้าที่ให้สมบูรณ์ได้ในแต่ละ
ระดับ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 44

45. ภาพที่ 12.4 โครงสร้างแบบลำาดับชั้นของระบบปฏิบัติการ
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 45

46. เครื่อ งเสมือ น
(virtual machines)
สามารถจำาลองสภาพแวดล้อมการทำางานของ
เครื่องหนึ่งให้สามารถปฏิบัติการบนโครงสร้างพื้น
ฐานของอีกเครื่องหนึ่งได้โดยที่โปรแกรมผู้ใช้
หรือโปรแกรมประยุกต์เสมือนว่ากำาลังปฏิบัติการ
อยู่บนเครื่องเดิม
จำาลองทรัพยากรเชิงกายภาพของระบบให้
สามารถถูกใช้ร่วมกันได้แบบเสมือน เช่น ซีพียู,
ระบบสพูลลิง, ระบบแฟ้ม, ดิสก์ และอุปกรณ์ไอ/โอ
เป็นต้น
การจำาลอง monitor mode แบบเสมือน
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 46

47. ภาพที่ 12.5 แบบจำาลองระบบ (a) ไม่มีเครื่องเสมือน (b)
เครื่องเสมือน
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 47

48. virtual machines
(cont.)
ข้อ ดี
 ผูใช้สามารถเลือกใช้เครื่องแบบเสมือนเพือที่จะได้หลาย
้ ่
สภาพแวดล้อม
 เครื่องเสมือนแต่ละเครื่องจะมีความเป็นเอกเทศอย่าง
สมบูรณ์และได้รับการปกป้อง
 สามารถทำาการทดลอง วิจัยและพัฒนาระบบปฏิบติการ ั
ใหม่ๆ และโปรแกรมประยุกต์ได้หลายแพลตฟอร์มโดย
ไม่จำาเป็นต้องทดลองปฏิบติการกับเครื่องจริงๆทุกชนิด
ั
ข้อ ด้อ ย
 คำาสั่งจำาลองหลายชนิดอาจใช้เวลานานในการปฏิบติ
ั
การกว่าบนเครื่องจริงๆ ได้
 ระบบ I/O เสมือนอาจใช้เวลานานขึ้นในการปฏิบติการ
ั
เนื่องจากระบบ spooling
วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 48

49. วิเ ชษฐ์ พลายมาศ | โครงสร้างระบบและสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ | โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ | 49