01. 作業系統及 System Types 介紹

Computer System Structure

• Users

  $^{ex.}$ human beings, other machines or systems

• Programs
  • System Programs: 幫助 programmer 的開發 service

    $^{ex.}$ Compiler, Assembler, Linking Loader, Debugger, ...

  • Application Programs: 一般 user 的 service

    $^{ex.}$ Text Editor, DBMS, Office, ...

• Operating System
• Hardware

  $^{ex.}$ CPU, Memory, I/O Devices, ...

• 裸機(Bare Machine): 純粹只有硬體組成，其上無任何 OS 及 System Programs
• 伸延機器(Extended Machine): Bare Machine 上加入 OS/System Programs/Application Programs

OS 之架構 (Structure)

OS 之扮演角色 (Roles) 或目的

• 提供一個讓 Users 易於操作電腦之溝通介面
• 提供一個讓 Users Programs 易於執行之環境
• 作為一個資源(resource)的管理者，協調分配這些 resources($^{ex.}$ CPU, Memory, I/O, ...)，期望資源可以被有效利用，甚至公平使用
• 作為一個監督者，監控所有 Processes 執行，避免 Process 之有意或無意的破壞，造成 System 重大危害

System Types

多元程式設計系統 (Multiprogramming System)

• Define: 系統允許多個 jobs(Processes) in the Memory 同時執行
  • 主要目的: 提高 CPU utilization，避免 CPU idle
  • 作法: 透過 Job Scheduling(or CPU Scheduling) 技術達成
    $^{ex.}$ 當執行中的 Process 在 waiting for I/O-completed 時，OS 可將 CPU 切換給另一個 Process 執行(Context Switching) $\Rightarrow$ 只要系統內有夠多的 jobs 存在，CPU idle 的機率就會下降(CPU always busy.)

• Multiprogramming Degree: 存在於系統內執行的 Processes 數目

  • 一般而言，Degree $\uparrow \Rightarrow$ CPU utilization $\uparrow$

    「08. Virtual Memory」之 Thrashing 狀況除外

• 多個 Processes 同時執行之兩種方式

  • Concurrent(並行) Execution: 一段時間內在單顆 CPU(one core) 上執行多個 Processes，但切成單位時間來看，每個單位時間內只會有一個 Process 執行

    

  • Parallel(平行) Execution: 一段時間內在多顆 CPUs(multiple cores) 上同時執行不同的 Process

    

1. False $\because$ Single-CPU by Concurrent Execution 也可以
2. False $\because$ Single-users System 也可以

分時系統 (Time-Sharing System)

• Define: 又稱Multitasking(多工) System, It's a logical extension of Multiprogramming System(Multiprogramming System 之一種). CPU switches jobs more frquently than Multiprogramming System so that users can interact with each job while it's running, creating interactive computing. $\Rightarrow$ 適合 Interactions with users

  $^{ex.}$ Mainframe 大型主機 $\leftrightarrow$ 終端機群, Unix

• 強調:

  • response time 要短($^{ex.}$ < 1 second.)
  • 對每個 users job 要公平對待
  • 讓每個 users 覺得有自己專屬的 computer 之感覺

• 技術:

  • CPU Scheduling 採用 RR(輪迴)排班

    詳見「04. Process 與 Thread Management」

  • 採用 Swapping，即 Virtual Memory

    詳見「08. Virtual Memory」

  • 採用 Spooling，讓每個 users 有自己的 I/O Device 之感覺，同時也一併使用 Buffering

多處理器系統 (Multiprocessors System)

• Define: 又稱 Multiprocessing System, 平行系統(Parallel System) 或 緊密耦合系統(Tightly Coupled System)，主要特色如下:
  • 一部 machine (或主機板)內裝置多顆 Processors(或 CPUs)，彼此共享此一 machine 內的 Memory, Bus, I/O Devices, power-supply, ...etc.
  • 通常所有 CPUs 均受同一個 clock 之時脈控制
  • 通常由同一個 OS 管控所有 CPUs
  • Processors 之間的溝通大都採 Shared Memory 的方式

    詳見「06. Process Synchronization」

• 優點:

  • 產能增加(Increased Throughput): $\because$ 支持 Parallel Computing，$\therefore$ 同一時間內可有多個 jobs 在不同 CPU 上平行執行；然而，$n$ 顆 CPUs 之產能必定 $<$ 一顆 CPU 產能 $\times$ $n$ 倍，$\because$

    • 資源競爭(Resource Contention)
    • Processors 之間的 communications 會導致不見得所有 jobs 都可以被平行執行

    $\therefore$ 效能會被抵減

  • 可靠度提昇(Increased Reliability): 當某顆 CPU 故障，其他 CPUs 仍可正常執行工作，系統不至於因而停頓或終止

    • 漸進式毀損(graceful degradation): 系統不會因為某些硬體或軟體的元件故障而停頓，仍保持續運作之能力，又可稱為適度的降級、從容弱化或故障弱化(fail-soft)
    • 容錯系統(fault tolerant system): 具有 graceful degradation 能力的系統
  • 運算能力之規模擴充具經濟效益(Economy of Scale): $\because$ 這些 CPUs 共享此 machine 的 Memory, Bus, ...等其他資源，$\therefore$ 成本 $\downarrow$

對稱式多處理器 (Symmetric Multiprocessors, SMP)

• Define: 每個 Processor 所負責(提供)的工作能力皆相同(identical)，且均有對等權利存取各式資源

• 設計重點: Load Balancing

  詳見「04. Process 與 Thread Management」

• 優點:

  • Reliability 較高
  • Throughput 較高
• 缺點: OS 之設計與開發較複雜，$\because$ Load Balancing 須針對共享資源及 data 提供嚴謹的互斥存取機制

非對稱式多處理器 (Asymmetric Multiprocessors, ASMP)

• Define: 每個 Processor 所負責(提供)的工作能力不盡相同，通常採 Master-slave(主僕式，或稱 Boss-employee)架構，即有顆 Master CPU 負責管理資源配置與分派工作給其餘 Slave CPUs
• 優點: OS 之設計與開發較簡單，$\because$ 很容易從 Single-CPU OS 版本修改而得
• 缺點:
  • Reliability 較低: $\because$ 每一個 CPU 工作能力不一定相同
    $^{ex.}$ 若 Master CPU 故障，則系統會停頓直到選出新的 Master 才會恢復運作
  • Throughput 較低: $\because$ Master CPU 會是效能瓶頸

多核 CPU 晶片 (Multicores CPU Chip)

以 OS 角度來看，以下兩者皆相同且視為 2 個 "logical" CPUs

• 速度較 2 Single-core CPUs 快，$\because$ 不用透過 Bus 溝通
• 更省能源(power saving)

分散式系統 (Distributed System)

• Define: 又稱鬆散耦合系統(Loosely Coupled System)，主要特色如下:
  • 多部 machines 彼此以 Network(LAN, MAN, WAN, ...) 相互連接
  • 每部 machine 內的 CPU 有各自的 (local) Memory, Bus, I/O Devices, power-supply, ...etc.，並非共享
  • 各 CPU clock 之時脈控制不一定相同
  • 各 CPU 上的 OS 也不一定相同
  • Processors 之間的溝通，大都採 Message Passing 的方式

    詳見「06. Process Synchronization」

• 優點:
  • 產能增加(Increased Throughput)
  • 可靠度提昇(Increased Reliability)
  • 遠端通訊(Remote Communication): $^{ex.}$ email, FTP over Internet.
  • 資源共享(Resource Sharing) $\Rightarrow$ cost $\downarrow$，支援兩種 computing models:
    • Client-server Computing
      • server: 提供某些服務之 machines

        $^{ex.}$ file/mail/printer/DNS/computing server

      • client: 不提供任何服務，純粹向 server 提出(request)服務請求，再接收由 server 所提供之服務(response)
    • Peer-to-peer Computing
      • 無法(或不用)區分出 client 或 server
      • machine(or node) 即是 client 也是 server
      • 一個 node 加入此 computing model 時，會 register its service request and provided，採 central lookup service 或 broadcasting 方式

即時系統 (Real-Time System)

可分為兩種 subtypes:

硬性即時系統 (Hard Real-Time System)

• Define: This system must ensure the critical tasks complete on time. 即必須保證重要工作可以準時完成，若超過時間，即算失效/失敗
• Example: 軍事防衛系統、核能安控、工廠自動化生產、機器人控制 ...etc.

• 系統設計之考量:
  • 任何可能影響時間之因素皆須納入考量

    $^{ex.}$ signal/data 傳輸、CPU 計算速度、algorithmn 之效能 ...etc.

  • 任何可能造成處理時間過長或不可預期之設備或機制，宜少用或不用
    • Disk 少用或不用 $\Rightarrow$ 程式改成燒錄在 ROM 或做成晶片，或放 RAM

      $^{ex.}$ embedded real-time system

    • Virtual Memory 不予採用 $\because$ page fault 處理時間太長

      $\therefore$ 不會與 Time-Sharing System 並存

  • 盡量降低 kernel 之介入干預時間

    通常 Hard Real-Time System 是沒有 OS 的，如果要有也是特殊設計，並非一般商用 OS
    $\Rightarrow$ 一般商用的 OS ($^{ex.}$ UNIX, Linux, Windows, Solaris, ...etc) 不支援 hard real-time features

軟性即時系統 (Soft Real-Time System)

• Define: This system must ensure the real-time process has the highest priority than the others and retain this level of priority until its completed.

  重要的即時工作維持權值，不可衰退

• Example: Multimedia System, Virtual Reality, Science Simulation, ..etc.
• 系統設計之考量:
  • 就 CPU Scheduling 而言，提供 Preemptive Priority 法則，不提供 Aging 技術

    詳見「04. Process 與」

  • 支持 Virtual Memory 之使用，前提為 real-time process 之 Pages 皆須在 Memory 中直到完工

    $\therefore$ 可與 Time-Sharing System 並存

  • 盡量降低 kernel 之 Dispatch Latency

    詳見「04. Process 與 Thread Management」

  • 一般商用的 OS ($^{ex.}$ UNIX, Linux, Windows, Solaris, ...etc) 支援 soft real-time features

手持系統 (Handheld System, Mobile Computing)

• Example: mobile devices
  • 個人數位助理(Personal Digital Assistants, PDAs)
  • smart phone: Apple iOS, Android by Google support
• 主要是因為 mobile device hardware 上天生的限制，使得在 OS 及 Application 設計時有所要求/限制，如下表所示:

批次系統 (Batch System)

• Define: 將一些非急迫性或具週期性的 jobs 累積成堆，再整批送入系統處理，過程中不須與 user 互動(interaction)
• 主要目的: 提高冷門時段之資源利用度(resources utilization)
• 不適用於需 user-interactive 或 real-time 的 Applications.
• Example: 報稅系統、下載軟體更新、掃毒、磁碟重組、庫存盤點 ...etc.