Chapter 2 : โครงสร้างของระบบคอมพิวเตอร์ และโครงสร้างของระบบปฏิบัติการ(ระบบปฏิบัติการเบื้องต้น)

การทำงานของระบบคอมพิวเตอร์

ระบบคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน จะประกอบด้วยซีพียู และตัวควบคุมอุปกรณ์(Device Controller) ที่เชื่อมโยงกันผ่านสายส่งข้อมูลหรือบัส(ฺBus) ซึ่งต้องการพื้นที่หน่วยความจำเพื่อให้สามารถทำงานพร้อมๆ กันได้ จึงต้องมีตัวควบคุมหน่วยความจำ (Memory Controller)

• ตัวควบคุมแต่ละตัว มีภาระหน้าที่ดูแลและควบคุมอุปกรณ์ตัวเอง
• ซีพียู และตัวควบคุมอุปกรณ์ สามารถทำงานพร้อมๆ กันได้
• หน่วยความจำ เป็นพื้นที่ส่วนกลางที่แชร์การใช้งาน

-เหตุการณ์ของการเปิดเครื่องคอมพิวเตอร์จะเรียกว่า การบูต (Boot) ภายในจะมีโปรแกรมขนาดเล็กที่บรรจุอยู่ในหน่วยความจำรอม (ROM) เรียนว่า Bootstrap Program ซึ่งมีหน้าที่โหลดโปรแกรมระบบปฏิบัติการเข้าสู่หน่วยความจำ
-จากนั้นระบบปฏิบัติการจะรอคอยสัญญาณขัดจังหวะที่เรียกว่า Interrupt
-ฮาร์ดแวร์สามารถส่งสัญญาณอินเตอร์รัปต์ผ่านทางบัสระบบ (System Bus) มาซีพียูได้ตลอดเวลา ในขณะที่ซอฟต์แวร์จะส่งสัญญาณอินเตอร์รัปต์ผ่านทางคำสั่งเรียกระบบ (System Call) เมื่อซีพียูถูกอินเตอร์รัปต์ ซีพียูจะหยุดทำงานที่กลังทำทันที จากนั้นเก็บค่าต่างๆลงหน่วยความจำ และทำการตรวจสอบสัญญาณอินเตอร์รัปต์ผ่านตารางสัญญาณ (Interupt Vector) ซึ่งจะทำให้ทราบว่าจะจัดการที่อุปกรณ์ใด เมื่อทำงานเสร็จ ซีพียูก็จะกลับมาทำงานต่อจากงานเดิมที่ค้างไว้

โครงสร้างของอุปกรณ์อินพุต / เอาต์พุต

อุปกรณ์แต่ละชิ้นจะมีตัวควบคุมแต่ละตัว และจะมีหน่วยความจำขนาดเล็กที่เรียกว่าบัฟเฟอร์ โดยตัวควบคุมจะทำหน้าที่รับส่งข้อมูลระหว่างตัวอุปกรณ์กับบัฟเฟอร์ ของอุปกรณ์นั้น

การขัดจังหวะอุปกรณ์อินพุต / เอาต์พุต

ตัวอย่างเช่น หากพบว่ามีการร้องขอให้อ่านข้อมูล ตัวควบคุมจะถ่ายโอนข้อมูลจากอุปกรณ์มาเก็บในบัฟเฟอร์ตัวควบคุมนั้น เมื่อทำงานเสร็จก็จะส่งสัญญาณอินเตอร์รัปต์ให้ซีพียูทราบว่าเรียบร้อยแล้ว

การเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง (DMA)

Direct Memory Access เป็นการส่งข้อมูลจากอุปกรณ์ I/O ไปยังหน่วยความจำโดยตรงโดยไม่ต้องผ่านซีพียู ข้อดีคือ การส่งผ่านข้อมูลจะเป็นไปด้วยความรวดเร็ว โดยไม่ต้องผ่านซีพียูนั่นเอง

ลำดับหน่วยความจำ

ลำดับชั้นความจำจะสะท้อนถึงความเร็ว และราคาของหน่วยความจำชนิดต่างๆ โดยหน่วยความจำที่มีความเร็วต่ำ มักมีราคาถูก มีความจุสูง แต่มีอัตราการเข้าถึงข้อมูลที่ช้า ในขณะที่หน่วยความจำความเร็วสูง มักมีราคาสูง แต่มีความจุต่ำ และมีอัตราการเข้าถึงข้อมูลที่เร็ว

การป้องกันฮาร์ดแวร์

เพื่อป้องกันข้อผิดพลาดในระบบ ที่อาจส่งผลเสียหายต่อโปรแกรมที่ส่งเข้ามาประมวลผลรวมถึงตัวระบบปฏิบัติการเอง ดังนั้น ในระบบที่รองรับการทำงานหลายงาน และมีการใช้ทรัพยากรร่วมกัน จึงต้องมีการแบ่งหน้าที่การทำงานเป็นโหมด ซึ่งประกอบด้วย

1. โหมดการทำงานของผู้ใช้ (User Mode)
2. โหมดการทำงานของระบบ (System Mode/Monitor Mode)

เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ใช้หรือโปรแกรมเข้าไปจัดการกับอุปกรณ์ I/O อย่างไม่ถูกต้อง จึงมีการกำหนดให้คำสั่ง I/O ทั้งหมดเป็นคำสงวนนั้นหมายความว่า ผู้ใช้จะไม่สามารถสั่งการกับอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุตได้โดยตรง แต่หากผู้ใช้ต้องการใช้งาน I/O จะต้องติดต่อผ่านระบบปฏิบัติการเท่านั้นด้วยการเรียนใช้งานผ่าน System Call

การป้องกันหน่วยความจำ จะทำได้ด้วยการป้องกันไม่ให้โปรแกรมของผู้ใช้สามารถเข้าไปแก้ไขข้อมูลที่อยู่นอกเหนือจากพื้นที่หน่วยความจำของตนที่รับผิดชอบ ทั้งนี้เพื่อไม่ให้โปรแกรมของผู้ใช้ต่างๆ เข้าไปก้าวก่ายภายในหน่วยความจำของกันและกัน ซึ่งอาจทำข้อมูลเสียหายได้

กรณีที่บางโปรแกรมทำงานติดวงจรแบบไม่มีที่สิ้นสุด จึงไม่สามารถส่งคืนซีพียูกลับไปยังระบบปฏิบัติการ ดังนั้น เพื่อเป็นการป้องกันจึงมีการใช้นาฬิกาจับเวลา ซึ่งเมื่อถูกใช้งานไปเรื่อยๆ จนมีค่าเป็นศูนย์ โปรแกรมนั้นก็จะหลุดจากการครอบครองซีพียู ทำให้ซีพียูไปทำงานอื่นที่รอคอยอยู่ได้

โครงสร้างของระบบปฏิบัติการ

1. ส่วนประกอบของระบบ
2. งานบริการของระบบ
3. การติดต่อระหว่างโปรเซสกับระบบ

ส่วนประกอบของระบบ

1. การจัดการโปรเซส
2. การจัดการหน่วยความจำ
3. การจัดการแฟ้มข้อมูล
4. การจัดการอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต
5. การจัดการหน่วยความจำสำรอง
6. เครือข่าย
7. ระบบการป้องกัน
8. ระบบการแปลคำสั่ง

งานบริการของระบบ

1. การประมวลผลโปรแกรม
2. การดำเนินงานกับอุปกรณ์ I/O
3. การจัดการกับระบบแฟ้มข้อมูล
4. การติดต่อสื่อสาร (ระหว่างโปรเซส)
5. การตรวจจับข้อผิดพลาด
6. การจัดสรรทรัพยากร
7. การทำบัญชีผู้ใช้
8. ระบบการป้องกัน

การติดต่อระหว่างโปรเซสกับระบบ

1. การควบคุมโปรเซส
2. การจัดการแฟ้มข้อมูล
3. การจัดการกับอุปกรณ์
4. การบำรุงรักษาข้อมูล
5. การติดต่อสื่อสาร