[作業系統] 1-1 Computer-System Organization

※作業系統架構

特點：

1. CPU和各種device controller透過相同的bus共享memory。 

2. 為了考量到應用層面的彈性，Controller通常不會整合在disk, mouse, keyboard, printer等設備。

3. Controller會先把data給memory，再透過memory給CPU。CPU無法直接讀取硬碟資訊。

4. I/O device和CPU可同時運作，除非bus被占用。

區分Device controller和Device driver

Device driver是OS的code，用來讓device和OS溝通。

Device controller是chips或hardware units，作為I/O bus和OS的媒介。

※DMA (Direct Memory Access) Structure

1. 使用high speed傳輸資料，近似於memory讀取速度。

2. 由device controller搬運blocks of data從buffer storage到memory，過程中CPU不會參與運作。

3. Interrupt是per bolck產生，而不是per byte。

※Storage Structure

1. Main memory 

唯一可由CPU直接access的大型儲存裝置，CPU有指令集，像是save, load。具有random access(隨機讀取)和volatile(揮發)兩大特點。

Random access - 資料可隨機讀取，不一定要按照順序讀取。

Volatile - 電源關閉後，資料會消失。

2. Secondary storage 

因為main memory具有volatile的特性，所以需要secondary storage當作large nonvolatile storage capacity，也就是說，電源關閉後，資料仍然存在。

具有以下兩種材質

a. Magnetic disk (磁性圓盤)

圓盤上切成同心圓 -> track

Track上的一小段 -> sector

由disk controller決定device和電腦之間的互動

b. Solid-state disk

速度比magnetic disk快

具有various technology並較為普及

※Storage Hierarchy

Storage system：以speed, cost, volatility作為分類。

Caching：將資訊copy到fast storage system。例如：main memory可以視為一個cache for secondary system。

Device driver：每個device controller可管理I/O，在controller和kernel之間提供一致的介面。

Storage-Device Hierarchy架構圖如下

從圖中可以看出，register、cache、main memory都是volatile，斷電後，資料會消失；而SSD、magnetic disk、optical disk都是nonvolatile，斷電後，資料仍保存。

※Caching

- 可在電腦上有很多層級的表現，例如hardware, software, OS等等

- 資料暫時從slower到faster storage，faster storage (cache)先檢查資料在哪裡

如果資料在cache，可直接使用

如果資料不在cache，需要把資料從slower storage搬過來

- Cache容量會小於被抓取的storage (反過來想就是，如果cache容量比要抓取的storage容量還大，那直接用storage就好，速度更快。)

※Computer-System Architecture

- 大部分系統只有一個general-purpose或special-purpose的處理器

- Server等級的電腦可能有多個CPU，又稱為parallel system, tightly-coupled system

優點：

1. Throughput較高 (單位時間完成的工作數量較多)

2. Economy of scale (規模經濟)

例如：1個CPU效能需要提升2倍，和使用2個CPU相比，後者較容易達成

3. 增加可靠度

-graceful degradation (多個CPU使用可降低使用風險)

-fault tolerance (FT容錯性，1個CPU損毀，有另1個CPU仍可使用)

※How a Modern Computer Works

※Symmetric Multiprocessing Architecture

※Dual-Core Design