โครงสร้างระบบคอมพิวเตอร์ และโครงสร้างของระบบปฏิบัติการ

ใบงานที่ 9
โครงสร้างระบบคอมพิวเตอร์  และโครงสร้างของระบบปฏิบัติการ

1.            การขัดจังหวะ หรือการอินเตอร์รัพท์ หมายถึงอะไร จงอธิบาย

คือ การติดต่อเพื่อรับส่งข้อมูลกันระหว่างอุปกรณ์ภายนอกต่างๆของคอมพิวเตอร์ เช่น จอภาพแป้นพิมพ์, เครื่องพิมพ์, เมาส์และอื่นๆ  กับ ไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งจะมีการติดต่อกันอยู่เสมอๆ การที่จะทำให้ระบบมีประสิทธิภาพมากที่สุดนั้นก็คือ การมีการติด ต่อหรือการอินเทอร์รัพท์ที่ดีนั่นเอง

2.            จงเปรียบเทียบการอินเตอร์รัปต์ กับการดำเนินชีวิตของมนุษย์โดยทั่วไป ว่ามีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร

จากการที่คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถทํางานได้รวดเร็วมากกว่ามนุษย์นัก จึงสามารถทํางานพร้อมกันได้หลายๆอย่างทั้งที่สามารถมองเห็นได้ชัดเจน และที่มองไม่เห็นดังนั้นหากไม่มีการจัดการการอินเตอร์รัพท์ให้ดีแล้ว ประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ก็ย่อมที่จะลดลงกว่าที่ควร จะเป็นหรืออาจก่อให้เกิดผลเสียต่างได้ ซึ่งถึงแม้บางอย่างอาจจะไม่มากจนเราสังเกตเห็นได้ แต่เพียงเล็กน้อยหากสะสมไปเรื่อยๆ ก็ย่อมจะกลายเป็นมากได้เช่นกัน

3.            สาเหตุที่การป้องฮาร์ดแวร์ มีบทบาทสำคัญต่อระบบปฏิบัติการที่รองรับหลายๆ งานอยากทราบว่าเป็นเพราะอะไร จงอธิบาย

เพราะ  ข้อผิดพลาดหลายอย่างมักจะตรวจสอบได้โดยฮาร์ดแวร์ ซึ่งสามารถควบคุมได้โดยระบบปฏิบัติการ ซึ่งจะทำการจัดการข้อผิดพลาดนั้นไปเลย

4.            จงเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างโหมดการทำงานของผู้ใช้ กับโหมดการทำงานของระบบมาให้พอเข้าใจ

ผู้ใช้ คือ บุคคลที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบกับระบบ เพื่อทำให้เกิดการดำเนินการ หรือเพื่อใช้การทำงานให้เป็นประโยชน์ส่วนการทำงานของระบบระบบ หมายถึง การทำงานร่วมกันของส่วนประกอบแต่ละส่วนอย่างมีความสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่องเพื่อนำไปสู่ความสำเร็จตามเป้าหมายที่ได้วางไว้

5.            ระบบปฏิบัติการจะมีการป้องกันอินพุต และเอาท์พุตอย่างไร จงอธิบาย

IOCS ต้องอาศัยรูทีนบางอย่างทั้งจากเคอร์เนล และผู้จัดการหน่วยความจำในการทำงานของมันอีกด้วย

เคอร์เนลจัดหา  รูทีนที่เหมาะสมกับการเกิดอินเตอร์รัพต์จากอุปกรณ์อินพุต-เอาต์พุต ให้ IOCS ทำงานหรือ IOCS เรียกใช้รูทีนผู้จัดการหน่วยความจำให้ช่วยหาเนื้อที่ในหน่วยความจำเพื่อใช้ทำบัฟเฟอร์ของอุปกรณ์ต่างๆ

6.            ระบบปฏิบัติการจะมีการป้องกันหน่วยความจำอย่างไร จงอธิบาย

การจัดการหน่วยความจำเป็นหน้าที่อีกประการหนึ่งของ OS หน่วยความจำเป็นองค์ประกอบหนึ่งในการพิจารณาขีดความสามารถของเครื่องคอมพิวเตอร์ ถ้าเครื่องคอมพิวเตอร์มีหน่วยความจำมาก ขีดความสามารถในการทำงานก็จะเพิ่มขึ้นด้วย โปรแกรมที่มีความสลับซับซ้อน และ มีความสามารถมากมัก ต้องการหน่วยความจำปริมาณมากด้วย แต่หน่วยความจำเป็นทรัพยากรที่มีราคาแพง และ ในเครื่องคอมพิวเตอร์ ขนาดเล็กหน่วยความจำมีขนาดจำกัด ทำให้เราไม่สามารถขยายขนาดหน่วยความจำได้มากตามที่ต้องการ จึงจำเป็นต้องใช้หน่วยความจำ ที่มีอยู่ให้เกิดประโยชน์สูงสุด เพื่อความสะดวกของผู้ใช้เราจึงยกการจัดการหน่วยความจำนี้ให้เป็นหน้าที่ของ OS เช่น ตรวจดูว่าโปรแกรมใหม่จะถูกนำไปวางไว้ในหน่วยความจำที่ไหน เมื่อใด หน่วยความจำไหนควรถูกใช้ก่อน หรือหลัง โปรแกรมไหนจะได้ใช้หน่วยความจำก่อน

7.            ระบบปฏิบัติการจะมีการป้องกันซีพียูอย่างไร จงอธิบาย

ซีพียู (cpu Scheduling) เป็นหลักการทำงานหนึ่งของระบบปฏิบัติการที่ทำให้คอมพิวเตอร์มีความสามารถในการรันโปรแกรมหลายๆ โปรแกรมในเวลาเดียวกัน ซึ่งการแบ่งเวลาการเข้าใช้ซีพียูให้กับโปรเซสที่อาจถูกส่งมาหลายๆ โปรเซสพร้อมๆกันในขณะที่ซีพียูอาจมีจำนวนน้อยกว่าโปรเซส หรืออาจมีซีพียูเพียงตัวเดียว จะทำให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้ปริมาณงานที่มากขึ้นกว่าการที่ให้ซีพียูทำงานให้เสร็จทีละโปรเซส ในบทนี้ เราจะมาพูดถึงอัลกอริทึมพื้นฐานของการจัดเวลาซีพียูนี้ โดยจะพูดถึงวิธีการหลักๆ ที่แต่ละอัลกอริทึมมีแตกต่างกัน ข้อดีข้อเสีย และความเหมาะสมต่อระบบงานแบบต่างๆ เพื่อการเลือกใช้อย่างถูกต้อง

8.            โครงสร้างของระบบปฏิบัติการประกอบด้วยกี่ส่วน อะไรบ้าง

ตัวส่ง (dispatcher) มีหน้าที่จัดการส่งโปรเซสเข้าไปให้ซีพียู

ตัวจัดการอินเตอร์รัพต์ขั้นแรก (first-level interrupt handler) มีหน้าที่วิเคราะห์การอินเตอร์รัพต์ที่ เกิดขึ้น และเลือกใช้รูทีนที่เหมาะสมกับอินเตอร์รัพต์นั้นๆ

ตัวควบคุมมอนิเตอร์ (monitor control) มีหน้าที่ควบคุมดูแลการเข้าถึงมอนิเตอร์ต่าง ๆ ของระบบ

9.            ในการจัดการกับโปรเซส ระบบปฏิบัติการจะมีกิจกรรมใดบ้างที่ต้องรับผิดชอบ

ระบบปฏิบัติการบางระบบ   เช่น ระบบปฏิบัติการดอสหรือเอ็มเอสดอล (MS-DOS)มีการจัดการโปรเซสที่ค่อนข้างง่าย เนื่องจากจัดการโปรเซสแบบผู้ใช้คนเดียว (Sing User)ทำให้การใช้งานซีพียูอาจไม่ได้รับความคุ้มค่านัก แต่ก็เป็นระบบปฏิบัติการที่ออกแบบง่ายเพราะไม่ค่อยมีความสลับซับซ้อน   อีกทั้งยังใช้ทรัพยากรค่อนข้างน้อย

แต่ในระบบปฏิบัติการที่ออกแบบมาใช้งานกับระบบใหญ่ ๆ นั้นจะถูกออกแบบมาเพื่อรองรับการใช้งานหลายๆ คน ( Multiuser)  ซึ่งอาจมีซีพียูหนึ่งตัวหรือมากกว่า ( Multiprocessor) ก็เป็นได้  ดังนั้นระบบปฏิบัติการที่ใช้กับระบบคอมพิงเตอร์ดังกล่าว  จำเป็นต้องได้รับการออกแบบที่ดี  และที่สำคัญย่อมมีความสลับซับซ้อนยิ่งขึ้นด้วย

สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ที่ส่วนใหญ่มักมีเพียงซีพียูเดียว  และใช้ระบบปฏิบัติการที่รองรับการใช้งานหลายๆโปรแกรมนั้น   ในความเป็นจริง ซีพียูจะทำงานได้ทีละงานเท่านั้นซึ่งเป็นลักษณะแบบ  Sequential  Execution  ดังที่นอยมานน์ได้กล่าวไว้   แต่เนื่องด้วยการทำงานของซีพียูมีความรวดเร็วมาก  เกิดสายตามนุษย์ที่จะจับผิดว่าซีพียูทำงานที่ละงานอยู่   ดังนั้นจึงดูเหมือนว่าซีพียูสามารถทำงานได้หลายๆ งานในขณะเดียวกัน งานที่ส่งไปประมวลผลในซีพียู  จะเรียกว่าโปรเซส  โดยโปรเซสคือโปรแกรมที่กำลังถูกประมวลหรือถูกเอ็กซคิวต์ หรือ อาจกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า โปรแกรมนั้นทำการครอบครองซีพียูในขณะนั้นอยู่  ซึ่งกระบวนการดังกล่าว  ซีพียูก็ต้องมีการบวนการจัดการโปรเซสที่ครอบครองรวมถึงการจัดการกับโปรเซสอื่น ๆ ที่ต้องการขอใช้บริการซีพียู

10.    ในการจัดการกับหน่วยความจำ ระบบปฏิบัติการจะมีกิจกรรมใดบ้างที่ต้องรับผิดชอบ

การจัดสรรหน่วยความจำ

การจัดการอุปกรณ์

การจัดการข้อมูล

11.    ในการจัดการกับแฟ้มข้อมูล ระบบปฏิบัติการจะมีกิจกรรมใดบ้างที่ต้องรับผิดชอบ

การสร้างแฟ้มข้อมูล (file creating) คือ การสร้างแฟ้มข้อมูลเพื่อนำมาใช้ในการประมวลผล ส่วนใหญ่จะสร้างจากเอกสารเบื้องต้น (source document) การสร้างแฟ้มข้อมูลจะต้องเริ่มจากการพิจารณากำหนดสื่อข้อมูลการออกแบบฟอร์มของระเบียน การกำหนดโครงสร้างการจัดเก็บแฟ้มข้อมูล (file organization) บนสื่ออุปกรณ์

การปรับปรุงรักษาแฟ้มข้อมูลแบ่งออกได้ 2 ประเภท คือ

1) การค้นคืนระเบียนในแฟ้มข้อมูล (retrieving) คือ การค้นหาข้อมูลที่ต้องการหรือเลือกข้อมูลบางระเบียนมาใช้เพื่องานใดงานหนึ่ง การค้นหาระเบียนจะทำได้ ด้วยการเลือกคีย์ฟิลด์ เป็นตัวกำหนดเพื่อที่จะนำไปค้นหาระเบียนที่ต้องการในแฟ้มข้อมูล ซึ่งอาจจะมีการกำหนเงื่อนไขของการค้นหา เช่น ต้องการหาว่า พนักงานที่ชื่อสมชายมีอยู่กี่คน

2) การปรับเปลี่ยนข้อมูล (updating) เมื่อมีแฟ้มข้อมูลที่จะนำมาใช้ในการประมวลผลก็จำเป็นที่จะต้องทำหรือรักษาแฟ้มข้อมูลนั้นให้ทันสมัยอยู่เสมอ อาจจะต้องมีการเพิ่มบางระเบียนเข้าไป (adding) แก้ไขเปลี่ยนแปลงค่าฟิลด์ใดฟิลด์หนึ่ง (changing) หรือลบบางระเบียนออกไป (deleting)

12.       ในการจัดการกับอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต ระบบปฏิบัติการจะมีกิจกรรมใดบ้างที่ต้องรับผิดชอบ

ติดตามสถานะของอุปกรณ์ทุกชิ้น

กำหนดอุปกรณ์ให้ใช้งาน

การยกให้ (Dedicated Device)

การแบ่งปัน (Shared Device)

การจำลอง (Virtual Device)

การจัดสรรอุปกรณ์ (Allocate)

การเรียกคืน (Deallocate)

13.    ในการจัดการกับหน่วยความจำสำรอง เช่น ดิสก์ ระบบปฏิบัติการจะมีกิจกรรมใดบ้างที่ต้องรับผิดชอบ

การจัดการหน่วยความจำจัดเป็นหน้าที่หนึ่งของระบบปฏิบัติการ หน่วยความจำนี้เป็นองค์ประกอบหนึ่งในการพิจารณาขีดความสามารถของเครื่องคอมพิวเตอร์ด้วย กล่าวคือถ้าหากคอมพิวเตอร์มีหน่วยความจำมาก นั่นหมายถึง ขีดความสามารถในการทำงานก็จะเพิ่มขึ้นโปรแกรมที่มีความสลับซับซ้อนและมีสมรรถนะสูง มักเป็นโปรแกรมที่ ต้องการหน่วยความจำสูง แต่ก็เป็นที่ทราบแล้วว่าหน่วยความจำมีราคาที่แพง (เปรียบเทียบราคาฮาร์ดดิสก์ประมาณ 5,000 บาท สามารถได้ความจุถึง 10 CB ขึ้งไป แต่ถ้าเป็นแรมได้ความจุเพียงหน่วย MB เท่า) ดังนั้นระบบปฏิบัติการที่ ดีจะต้องมีการจัดการหน่วยความจำที่มีจำกัด ให้สามารถรองรับงานต่างๆ ที่จำเป็นต้องใช้หน่วยความจำจำนวนมากได้

14.    จงสรุปงานบริการของระบบปฏิบัติการมาพอเข้าใจ

- การให้โปรแกรมทำงาน (Program Execution)

- การรับส่งข้อมูล ( I / O Operation)

- การใช้งานระบบแฟ้มข้อมูล ( File – System Manipulation)

- การติดต่อสื่อสาร ( Communications)

- การตรวจสอบข้อผิดพลาด (Error Detection)

นอกจากระบบปฏิบัติการจะมีหน้าที่อำนวยความสะดวกให้แก่ผู้ใช้งานแล้ว ยังต้องประกันประสิทธิภาพในการปฏิบัติการของระบบเองอีกด้วย ในระบบผู้ใช้หลายคนนั้น เราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้โดยใช้ทรัพยากรร่วมกัน

1. การจัดสรรทรัพยากร ( Resource Allocation )

2. การทำบัญชี ( Accounting )

3. การป้องกัน ( Protection )

การเรียกระบบ (System Call)

แยกต่างประเภทของคำสั่งเรียกระบบ (Type of System Calls)

1. การควบคุมกระบวนการ ( Process Control )

2. การใช้งานแฟ้มข้อมูล ( File Manipulation )

3. การใช้งานอุปกรณ์ ( Device Manipulation)

4. การใช้งานข้อมูลของระบบ ( Information Maintenance )

5. การสื่อสาร ( Communication )

โปรแกรมระบบ (System Programs)

โปรแกรมระบบช่วยให้การพัฒนาและการทำงานของโปรแกรมอื่นๆ ง่ายและสะดวก เราสามารถแบ่งได้หลายประเภท ดังนี้

- การใช้งานแฟ้มข้อมูล ( File Manipulation )

- ข้อมูลสถานะของระบบ ( Status information )

- การแก้ไขแฟ้มข้อมูล ( File Modification )

- ตัวแปลภาษา ( Programming – Language Support )

- ตัวนำโปรแกรมลงหน่วยความจำและการทำงาน ( Program loading and Execution )

- การสื่อสาร ( Communication )

15.    ในการติดต่อระหว่างโปรเซสกับระบบปฏิบัติการ จะเกี่ยวข้องกับกลุ่มงานใดบ้าง จงอธิบาย

การเชื่อมต่อระหว่างระบบปฏิบัติการกับโปรแกรมของผู้ใช้ ( User Program ) นั้นระบบปฏิบัติการได้เตรียมส่วนของคาสั่งต่างๆในการให้บริการไว้เรียบร้อยแล้วซึ่งเราเรียกว่าคาสั่งเรียกระบบ( System Call )โดยในการทางานของการเรียกระบบซึ่งอาจจะประกอบด้วยการสร้างการลบและการเรียกใช้งานโปรแกรมต่างๆโดยจะอยู่ภายใต้การควบคุมของระบบปฏิบัติการซึ่งบริการต่างๆที่ระบบปฏิบัติการเตรียมไว้เพื่อบริการให้กับโปรแกรมผู้ใช้นั้นมีหลายลักษณะระบบปฏิบัติการแต่ละแบบอาจจะมีการเตรียมการบริการที่แตกต่างกันแต่สาหรับการบริการด้านการจัดการโปรเซสและการจัดการแฟ้มข้อมูลนั้นถือว่าเป็นหัวใจสำคัญของระบบปฏิบัติการทุกตัวที่ต้องให้ความสำคัญและพัฒนาระบบปฏิบัติการซึ่งจะบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของระบบ

ปฏิบัติการนั้นทั้งด้านความเร็วในการทางานปริมาณงานที่สามารถทาได้รวมถึงความเชื่อถือได้ของระบบ