Computer Operating System Concept Chapter 2

1. บทที่ 2 : โครงสร้างระบบคอมพิวเตอร์ Computer-System Structures การปฏิบัติงานของระบบคอมพิวเตอร์ Computer System Operation โครงสร้างอินพุทเอ้าท์พุท I/O Structure โครงสร้างหน่วยจัดเก็บข้อมูล Storage Structure โครงสร้างเชิงลำดับชั้นของหน่วยจัดเก็บข้อมูล Storage Hierarchy การป้องกันฮาร์ดแวร์ Hardware Protection โครงสร้างเครือข่าย Network Structure

2. ระบบคอมพิวเตอร์ในสมัยใหม่ A Modern Computer System

3. การปฏิบัติงานของระบบคอมพิวเตอร์ Computer-System Operation อุปกรณ์อินพุทเอ้าท์พุทกับหน่วยประมวลผลกลางสามารถทำงานหรือเอ็กซ์ซีคิวท์ไปพร้อมกัน ตัวควบคุมอุปกรณ์แต่ละตัวต้องเป็นไปตามประเภทของอุปกรณ์แต่ละชนิด ตัวควบคุมอุปกรณ์แต่ละตัวมีบัฟเฟอร์เป็นของตนเอง หน่วยประมวลผลมีหน้าที่เคลื่อนย้ายข้อมูลจากหน่วยความจำหลักและบัฟเฟอร์แต่ละตัว อินพุทเอ้าท์พุทเป็นอุปกรณ์บัฟเฟอร์เฉพาะของหน่วยควบคุม หน่วยควบคุมอุปกรณ์มีหน้าที่แจ้งให้หน่วยประมวลผลทราบเมื่อทำงานเสร็จสิ้น ด้วยวิธีการขัดจังหวะการทำงานหรือการอินเตอร์รัพท์ interrupt

4. หน้าที่ทั่วไปของการขัดจังหวะ interrupt Common Functions of Interrupts โดยปกติการขัดจังหวะจะโอนการควบคุมไปให้กับ ส่วนการบริการงาน interrupt vector อันเกิดจากการขัดจังหวะ หรือ อินเตอร์รัพท์เซอร์วิสรูทีน service routines สถาปัตยกรรมการขัดจังหวะ จะต้องทำการบันทึกแอดเดรสของคำสั่งการขัดจังหวะ การขัดจังหวะขาเข้า จะถูกยกเลิกการทำงาน เมื่อการขัดจังหวะกำลังถูกโปรเซสเพื่อแก้ไขการสูญหายของการขัดจังหวะ แทรป trap คือซอฟต์แวร์ที่ทำให้เกิดการขัดจังหวะอันเนื่องมาจากทั้งการเกิดความผิดพลาด หรือร้องขอบริการจากผู้ใช้ ระบบปฏิบัติการคือการทำงานด้วยการขับเคลื่อนการขัดจังหวะ

5. การจัดการกับการขัดจังหวะ Interrupt Handling ระบบปฏิบัติการเป็นผู้ดูแลสถานะของหน่วยประมวลผลด้วยการเก็บค่ารีจีสเตอร์และโปรแกรมเคาน์เตอร์ program counter ประเภทของการขัดจังหวะที่นำมาใช้ การทำโพลลิ่ง polling ระบบการขัดจังหวะแบบเวกเตอร์ vectored interrupt system แตกการทำงานแบบรูทีนของเคอร์แนล เพื่อทราบว่าการกระทำนั้นเป็นการขัดจังหวะประเภทใด

6. การขัดจังหวะตามการเปลี่ยนแปลงของเวลาเพื่อการโปรเซสเดี่ยวให้ได้ผลลัพท์ Interrupt Time Line For a Single Process Doing Output

7. โครงสร้างของ I/O Structure I/O แบบสัมพันธ์ Synchronous I/O หลังจาก I/O เริ่มทำงาน การควบคุมจะตอบกลับไปยังโปรแกรมของผู้ใช้ก็ต่อเมื่อ I/O ทำงานเสร็จสิ้นแล้ว คำสั่งเพื่อการรอคอยจะทำให้หน่วยประมวลผลว่างจาการทำงานใดๆ จนกว่าจะเกิดการขัดจังหวะลำดับถัดไปขึ้น วนรอบแห่งการรอคอย ( เกิดขึ้นเมื่อเกิดการแย่งชิงเพื่อการเข้าถึงหน่วยความจำ ) เมื่อเกิดการร้องขอจาก I/O มากกว่าหนึ่ง ในช่วงเวลาเดียวกัน การโปรเซส I/O จะไม่สามารถกระทำได้โดยต่อเนื่อง I/O แบบไม่สัมพันธ์ Asynchronous I/O หลังจาก I/O เริ่มทำงานการควบคุมจะตอบกลับไปยังโปรแกรมของผู้ใช้โดยไม่ต้องรอ I/O ทำงานเสร็จสิ้น การเรียกระบบ System call เป็นการเรียกร้องให้ ระบบปฏิบัติการอนุญาตให้ผู้ใช้รอคอย เพื่อให้ I/O ทำงานเสร็จสิ้น อุปกรณ์ ตารางบันทึกการเข้าใช้งาน Device-status table เพื่อให้อุปกรณ์ I/O สามารถระบุประเภท แอดเดรส และสถานะได้ ระบบปฏิบัติการ ทำดัชนีไว้ในส่วนของอุปกรณ์ เพื่อบ่งบอกสถานะของอุปกรณ์ และเปลี่ยนแปลงตาราง และเพื่อการแก้ไขตารางบันทึกการเข้าใช้งานรวมทั้งการขัดจังหวะ

8. ระเบียบวิธีของทั้งสองระบบปฏิบัติการ Two I/O Methods Synchronous Asynchronous

9. ตารางสถานะของอุปกรณ์ Device-Status Table

10. โครงสร้างการเข้าถึงหน่วยความจำแบบโดยตรง Direct Memory Access Structure ถูกใช้สำหรับอุปกรณ์อินพุทเอ้าท์พุทแบบความเร็วสูง เพื่อให้สามารถจัดส่งข้อมูลสารสนเทศให้มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วของหน่วยความจำ ส่วนการควบคุมอุปกรณ์จะจัดส่งข้อมูลเป็นบล็อค ของข้อมูลที่อยู่ในบัฟเฟอร์โดยตรงไปยังหน่วยความจำโดยปราศจากความช่วยเหลือจากหน่วยประมวลผล มีเพียงการขัดจังหวะเท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นทีละบล็อค แทนที่จะเป็นหนึ่งไบท์ต่อการขัดจังหวะหนึ่งครั้ง

11. โครงสร้างหน่วยจัดเก็บข้อมูล Storage Structure หน่วยความจำหลัก Main memory คือสื่อที่ใช้ในการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่เท่านัน้ที่หน่วยประมวลผลสามารถเข้าถึงได้โดยตรง หน่วยจัดเก็บข้อมูลสำรอง Secondary storage เป็นส่วนขยายจากหน่วยความจำหลักที่เป็นส่วนจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ ดิสค์แม่เหล็ก Magnetic disks หมายถึงสิ่งที่สร้างขึ้นจากโลหะ หรือแผ่นแก้วที่ถูกเคลือบด้วยแม่เหล็กเพื่อใช้ในการจัดเก็บข้อมูล ผิวสัมผัสของแผ่นดิสค์ ในเชิงมโนภาพจะถูกแบ่งออกเป็นแทร็กส์ tracks และแต่ละแทร็กส์จะถูกแบ่งย่อยออกเป็นเซ็กเตอร์ ส่วนการควบคุมดิสค์ disk controller หมายถึงผู้ทำหน้าที่ตอบสนองระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ กับคอมพิวเตอร์

12. กลไกในการเคลื่อนหัวอ่านดิสค์ Moving-Head Disk Mechanism

13. โครงสร้างลำดับชั้นของหน่วยจัดเก็บ Storage Hierarchy ระบบของหน่วยจัดเก็บถูกจัดระเบียบเชิงลำดับ ความเร็ว ค่าใช้จ่าย ความคงอยู่ของข้อมูลหลังจากไม่มีกระแสไฟฟ้า การแคชชิ่ง Caching หรือการเก็บซ่อน หมายถึงการทำสำเนาข้อมูลไปไว้ยังระบบการจัดเก็บที่มีความเร็วสูงกว่า กล่าวคือ หน่วยความจำหลัก ก็คือแคชสุดท้ายของหน่วยจัดเก็บข้อมูลทุติยภูมิ

14. โครงสร้างลำดับชั้นของอุปกรณ์หน่วยจัดเก็บข้อมูล Storage-Device Hierarchy

15. แคชชิ่ง Caching ใช้หน่วยความจำความเร็วสูง เพื่อให้ข้อมูลที่ใช้ล่าสุดอาศัยอยู่ จำเป็นต้องใช้นโยบายในการบริหารจัดการแคช การทำแคชชิ่งนำไปสู่โครงสร้างการจัดเก็บเชิงลำดับในระดับอื่น จำเป็นต้องมีข้อมูลที่ถูกจัดเก็บอย่างต่อเนื่องมากกว่าหนึ่งระดับอย่างสม่ำเสมอ

16. Migration of Integer “A” From Disk to Register การเคลื่อนย้ายของตัวแปลแบบจำนวนเต็ม A จากดิสค์ไปยังรีจีสเตอร์

17. การป้องกันฮาร์ดแวร์ Hardware Protection การปฏิบัติการแบบโหมดคู่ Dual-Mode Operation การป้องกันอินพุทเอ้าท์พุท I/O Protection การป้องกันหน่วยความจำ Memory Protection การป้องกันหน่วยประมวลผล CPU Protection

18. การปฏิบัติการแบบโหมดคู่ Dual-Mode Operation การแบ่งปันทรัพยากรของระบบที่จำเป็นต่อระบบปฏิบัติการเพื่อมั่นใจได้ว่า โปรแกรมที่ไม่ถูกต้องหรือพฤติกรรมอันไม่พึงประสงค์ของมนุษย์ จะมีผลกระทบให้โปรแกรมอื่นๆ ทำงานผิดพลาดหรือไม่ถูกต้องไปด้วย ระบบปฏิบัติการต้องสามารถรองรับฮาร์ดแวร์ ที่แตกต่างกันในการทำงานอย่างน้อยสองโหมดขึ้นไป 1. โหมดผู้ใช้งาน User mode หมายถึง การเอ็กซ์ซีคิวท์นั้นเฉพาะเพื่อผู้ใช้รายนั้นเท่านั้น 2. โหมดการเฝ้าติดตาม Monitor mode ( หรือเคอร์แนลโหมด kernel mode หรือ โหมดระบบ system mode ) การเอ็กซ์ซีคิวท์นั้นเพื่อการทำงานของระบบปฏิบัติการ

19. การปฏิบัติการแบบโหมดคู่ Dual-Mode Operation (Cont.) โหมดบิทจะถูกใส่ไว้ในส่วนฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์ เพื่อใช้บ่งชี้ว่าปัจจุบันอยู่ที่โหมดใด อาทิเช่น โหมด 0 หมายถึงโหมดการเฝ้าติดตาม โหมด 1 หมายถึงโหมดผู้ใช้งาน เมื่อเกิดการขัดจังหวะ หรือ เกิดข้อผิดพลาดใดๆ ขึ้น ฮาร์ดแวร์จะทำการสลับกลับไปยังโหมดการเฝ้าติดตามโดยอัตโนมัติ Privileged instructions can be issued only in monitor mode monitor user Interrupt/fault set user mode คำอธิบายรูป คำสั่งงานเฉพาะจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในโหมดการเฝ้าติดตามเท่านั้น

20. การป้องกันอินพุทเอ้าท์พุท I/O Protection คำสั่งในส่วนอินพุทเอ้าพุท ทั้งหมดถือเป็นคำสั่งเฉพาะทั้งสิ้น ต้องแน่ใจว่าโปรแกรมของผู้ใช้ จะต้องไม่เข้าไปควบคุมคอมพิวเตอร์ในโหมดการเฝ้าติดตาม ( เพื่อไม่ให้โปรแกรมของผู้ใช้ที่กำลังถูกเอ็กซ์ซีคิวท์ ได้ทำการเพิ่มแอดเดรสใหม่ไว้ในส่วนเวกเตอร์ของการขัดจังหวะ )

21. ใช้ส่วนงานการเรียกระบบเพื่อแจ้งเตือนส่วนอินพุทเอ้าท์พุท Use of A System Call to Perform I/O

22. การป้องกันหน่วยความจำ Memory Protection ต้องสามารถป้องกันหน่วยความจำ อย่างน้อยเพื่อการทำเว็กเตอร์การขัดจังหวะ และการวัตรการทำงานของบริการการขัดจังหวะ ความจำเป็นที่ต้องมีการป้องกันหน่วยความจำ อย่างน้อยที่สุดต้องเพิ่มรีจิสเตอร์สองตัวเพื่อสามารถกำหนดขอบเขตของแอดเดรสที่อนุญาตให้โปรแกรมสามารถเข้าถึงได้ รีจิสเตอร์ฐาน Base register เพื่อเก็บแอดเดรสของหน่วยความจำเชิงกายภาพขนาดเล็กสุด รีจิสเตอร์จำกัด Limit register เพื่อใช้กำหนดขนาดของขอบเขต หน่วยความจำที่อยู่นอกเหนือจากที่กำหนดก็จะถูกป้องกันไม่ให้สามารถเข้าถึงได้

23. การใช้รีจีสเตอร์แบบฐานและแบบจำกัด Use of A Base and Limit Register

24. การป้องกันแอดเดรสของฮาร์ดแวร์ Hardware Address Protection

25. การป้องกันฮาร์ดแวร์ Hardware Protection เมื่อเกิดการเอ็กซ์ซีคิวท์ในโหมดการเฝ้าติดตาม ระบบปฏิบัติการจะไม่เข้าไปควบุคมการเข้าถึงทั้งการเฝ้าติดตาม และหน่วยความจำของผู้ใช้ ภาระของการสั่งการของรีจิสเตอร์แบบฐานและแบบจำกัด ล้วนเป็นการสั่งการเฉพาะ

26. การป้องกันหน่วยประมวลผล CPU Protection ตัวควบคุมเวลา ไทม์เมอร์ Timer การขัดจังหวะคอมพิวเตอร์หลังจากช่วงเวลาเฉพาะใดๆ ของระบบปฏิบัติการทำการดูแลรักษาส่วนควบคุม ไทม์เมอร์จะทำการลดค่าตัวเองทุกๆ จังหวะเวลา เมื่อไทม์เมอร์ลดค่าจนกระทั่งมีค่าเป็น 0 การขัดจังหวะก็จะเกิดขึ้น โดยปกติไทม์เมอร์ถูกใช้เพื่อ การแบ่งสรรเวลา เวลาส่วนใหญ่ ถูกใช้เพื่อการคำนวณเวลา ณ ปัจจุบัน การโหลดไทม์เมอร์ เป็นคำสั่งเฉพาะ

27. สถาปัตยกรรมระบบทั่วไป General-System Architecture กำหนดให้ส่วนการสั่งงานอินพุทเอ้าท์พุทเป็นส่วนคำสั่งเฉพาะ โปรแกรมของผู้ใช้จะสามารถแจ้งเตือนการทำงานกับอินพุทเอ้าท์พุทได้อย่างไร การเรียกระบบ System call หมายถึงระเบียบวิธี ที่ถูกใช้โดยโปรเซสเพื่อร้องขอการทำงานอย่างหนึ่งอย่างใด จากระบบปฏิบัติการ โดยปกติเพื่อรับแบบฟอร์มของการแทรปเพื่อกำหนดพื้นที่การทำงานเฉพาะในส่วนเวกเตอร์การขัดจังหวะ การควบคุมจะถูกส่งผ่านไปยังเวกเตอร์ของการขัดจังหวะ เพื่อวัตรการดำเนินการของงานบริการ ในระบบปฏิบัติการ และโหมดบิทจะถูกกำหนดไปเป็นโหมดการเฝ้าติดตาม การเฝ้าติดตาม บอกถึงความถูกต้องว่าพารามิเตอร์นั้นถูกต้อง ทำการเอ็กซ์ซีคิวท์ตามต้องการ และส่งค่าการควบคุมกลับไปยังการสั่งการตามที่เรียกใช้ระบบ

28. โครงสร้างเครือข่าย Network Structure เครือข่ายท้องถิ่น Local Area Networks (LAN) เครือข่ายระยะไกล Wide Area Networks (WAN)

29. โครงสร้างเครือข่าย ท้องถิ่น Local Area Network Structure

30. โครงสร้างเครือข่ายระยะไกล Wide Area Network Structure