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title: Chap0:Historical Prospective
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# 作業系統Ch0: Historical Prospective
###### tags: `Operating System` `Review` `Ch0`

## Mainframe Systems

Mainframe systems:最早的電腦其中之一，而且很貴，I/O裝置很慢。
(Mainframe指的是體積很大)
Mainframe systems至今仍然存在，專門在處理某一件事情的機器，而且是大量工作的機器仍然稱之為Mainframe
> better reliablility & security e.g., hospitals, banks

Evolution: Batch **--->** Multi-programming **--->** Time shared

### Batch(批次)
利用(寫好一堆)打洞卡來處理，一次只能處理一個program(獨佔完後才能下個 batch)，
處理步驟如下。

1. Users submit jobs (program, data, control card).
2. Operator(使用者) sort jobs with similar requirements.
3. OS simply transfer control from one job to the next.


缺點:
1. 一次只能一個 job
2. 使用者和 jobs 之間沒有互動。
3. CPU 時常 idle。$\rightarrow$ 因為 I/O speed << CPU speed (at least 1:1000)
現代電腦的 I/O 速度也是小於 CPU 速度

### Multi-programming System
就是在系統中放多個 program，當一個 program 在做 I/O 時候，別的 program 就可以使用 CPU。

**目標:希望 Overlaps the I/O and computation of job，增加 CPU 使用率。**

藉由 **Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line)** 概念
* I/O is done with no CPU intervention
* CPU just needs to be <font color=red>notified</font> when I/O is done

Disk 和 CPU 中間有 Memory ，寫完程式後可能會有很多 program ，在早期 Memory 很有限時，哪些 programs 需要先放入到 Memory(Job Scheduling)，也需要管理 Memory，是平分還是動態分配，接著從 Memory 到 CPU ，由於 CPU 更加有限，哪些 Jobs 需要先給 CPU(CPU scheduling) 又是一個 decision。


OS tasks: Memory management、CPU scheduling、I/O system。

### Time-sharing System (Multi-tasking System)
上一個系統仍然沒有 interative，而且仍然是一次一個 job 做完。

Time-sharing:一次執行多個 jobs，讓所有人一起執行，用時間觀念去切割大家使用的資源。

CPU 在 Jobs (執行時間: ms) 中切換如此頻繁以致於使用者透過 I/O devices 可以跟程式互動，也可能立即看見結果 (response time: < 1s)。

Switch job when
* finish
* waiting I/O
* a short period of time

OS tasks: Virtual memory、File system and disk management、Process synchronization and deadlock。

### Summary

| | Batch | Multi-programming | Time-sharing(Multi-tasking) |
| ------------ | --------------- | ----------------- | -------------------------------- |
| System model| single user/job | Multiple prog. | Multiple prog./users |
| Purpose | Simple | Resource utilization | Interactive、Reponse time、sharing|
| OS features | N.A. | CPU scheduling、Memory Mgt、I/O system| Multiple prog./users |

## Computer-system architecture

### Desktop Systems: Personal Computers

**Personal computers (PC)**:

個人獨有的電腦系統。
使用方便和很快回應 - GUI
I/O 裝置:滑鼠、鍵盤、螢幕、印表機。
不同作業系統: MacOS、Unix、Linux、Windows。
缺乏檔案和作業系統的保護

### **Parallel Systems**

a.k.a multiprocssor 或 **tightly** coupled system
* 超過一 CPU/core 在封閉的 communication(machine)
* 通常透過共用記憶體溝通。

Purposes: Throughput、Economical、Reliability。


#### **分類**
* Symmetric multiprocessor system (SMP)
* 每一 procssor 跑在同樣 OS 上
* 大部分熱門 multiple-processor 架構
* 需要額外 synchronization 來保護資料完整性(要 lock)
* Asymmetric multiprocessor system
* 每一 procssor 指派一個 specific task
* one master (管理) CPU & multiple (使用) slave CPUs
* 更常見於極大系統中

**Multi-Core Processor**:

* A CPU with multiple cores on the same die (chip)
* 在晶片上溝通快於晶片跟晶片間的溝通
* 比起多個單一核心的晶片使用明顯較少 power。


現在透過 hardware(CPU)，讓它和管理 cache 上的機制以及 Memory 溝通，確保 overwrite 一個 cache 的 memory content 時，把資料至少反應到 memory 或者讓所有 cache 到同一 memory content 具有資料一致性。

**Many-Core Processor**(>100 cores):

Single instruction Multiple Data: 同時間 core 只能做一個 instruction ，應用到不同的 data。

e.g., 將作業系統全班成績開根號乘以10 (笑)

### **Memory Access Architecture**
* Uniform Memory Access (UMA):
* 今日最常見的代表 Symmetric Multiprocessor (SMP) machines
* Identical processors
* Equal access time (速度) to memory
* Example: most commodity computers

* Non-Uniform Memory Access (NUMA)
* 由實體連結至少兩個 SMPs 製造
* One SMP can directly access memory of another SMP
* Memory access across link is slower (local mem 比較快，remote mem 慢)
* Example: IBM Blade server


### **Distributed Systems**
a.k.a **loosely coupled system**
* 每個 processor 有自己的 local memory
* processors 和另外一個溝通透過多種 communication lines (I/O bus or network)
* 易於增加規模 (scale)

Purposes:
* Resource sharing
* Load sharing
* Reliability

#### **分類**
* Client-Server Distributed System
* 容易管理和控制資源
* 但是 server 可能成為瓶頸和單一失敗點 (如果只有一台server而且掛掉，東西就沒了QQ)

* Peer-to-Peer Distributed System
* 每個機器扮演相同的角色在分散式系統 - 去中心化
* Example: ppStream22, bitTorrent, Internet

**Clustered Systems**:
算是一種分散式系統

Def: Cluster computers **share storage** and are closely **linked via a local area network** (LAN) or a **faster interconnect**, such as InfiniBand (up to 300Gb/s).

### Summary


## Special-purpose Systems

### Real-Time Operating Systems
在 deadline 以前做完。
* Well-defined fixed-time constraints
* “Real-time” doesn’t mean speed, but keeping deadlines
* Guaranteed response and reaction time
* Real-time requirement:
* soft real-time requirements:
* 盡量達成的 deadline
* 重要的 real-time task 獲得高優先權直到完成
* Examples: multimedia streaming
* Hard real-time requirements:
* 一定要達到的 deadline，否則系統會 crash (a fundamental failure)
* Secondary storage limited or absent (讀取時間不好掌握)
* Examples: nuclear power plant controller

### Multimedia Systems
* A wide range of applications including audio and video files (e.g. ppstream, online TV )
* Issues:
*　Timing constraints: 24~30 frames per second
*　On-demand/live streaming: media file is only played but not stored
*　Compression: due to the size and rate of multimedia systems
### Handheld/Embedded Systems
* Personal Digital Assistants (PDAs)
* Cellular telephones
* <font color=red>HW specialized OS</font>
* Issues:
* Limited memory
* Slow processors
* Battery consumption
* Small display screens

## Ref

[1] [上課影片 link](https://www.youtube.com/playlist?list=PLS0SUwlYe8czigQPzgJTH2rJtwm0LXvDX)
[2] [投影片 link](https://ocw.nthu.edu.tw/ocw/index.php?page=course_news_content&cid=141&id=999)