# Operating System #1

## What is OS?

* 作業系統是一個介於使用者與電腦硬體之間，用於溝通的程式。
* 電腦硬體大致上可以切割成四個區塊，由上到下分別為**使用者**、**應用程式**、**作業系統**和**電腦硬體**。
* 作業系統就像一個資源管理者和資源分配者，讓所有使用者可以簡單、方便的使用電腦，不必在乎資源的控管，因為作業系統會幫你完成。
* 你可以想像，在電腦中有CPU、硬碟、IO控制裝置、顯示器等等，這些東西在不同的動作下可能需要透過BUS和彼此傳送資料或是和記憶體溝通。如果沒有作業系統的控管，使資料隨意傳輸，BUS可能會塞車或是造成資料異常覆蓋等情形。

## Kernel

* 作業系統本身也是一個軟體，我們將其稱作**Kernel**。
* 只有Kernel所有時間都在運作，好監控整個電腦的資源。而其他程式會根據Kernel的指示，同一時間一個運算器只有一個程式在運行。

## Interrupt

* 程式中斷出現在很多情形之下，包含正常或異常。
* 例如，一個程式執行太久了，我們會希望它先暫停使其他程式運算。
* 或是為了避免CPU閒置，因為CPU的運作速度非常快速，我們通常不希望它發生閒置的狀況。
* 若現在一個程式要等使用者輸入訊息才能繼續運算，也就是該期間需要等候IO。
* 因為不希望CPU閒置，作業系統就會要求該程式進行中斷，讓其他程式先行運作，IO指令進來之後再繼續執行。
* 當然，若程式發生exception，也有可能是錯誤中斷，避免後續其他程式無法運作。
* 例如Diviison by zero等等。

## Computer-System Architecture

* 許多特殊系統使用單一處理器的架構。
* 嵌入式系統等小型裝置常見。
* 多處理器架構在一般電腦上越來越普及。
* 耳熟能詳的平行化系統、tightly-coupled system等。
* 增加throughput、效益最大化。
* 其中又分對稱式和非對稱式：
* Asymmetric Multiprocessing: 每一個處理器分配到屬於自己的任務。
* Symmetric Multiprocessing: 每個處理器分配到的任務沒有限制。

### Multiprocessing VS Dual-Core Design

* Multiprocessing指擁有兩個或多個CPU，共享主記憶體的資源。
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* Dual-Core指單個CPU擁有兩個運算核心，主要差異在於可以共享到部分的快取。
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### Multiprogramming VS Multitasking

* Multiprogramming (Batch system)是為了效率。
* 先將工作在記憶體中排程，當遇到需要等待的時候OS就切換到其他工作。
* Timesharing (multitasking) 是為了互動性的計算。
* CPU頻率性的切換工作，讓使用者產生多個程式同時運行的錯覺。
* Response time必須夠短。
* 記憶體中等候的程式至少要有一個(不然沒得切換)。
* 多個程式等候需要進行排程。
* 資源不夠時可能執行swapping或是virtual memory。

## Dual-mode

* 為了保護OS本身正常運作而不受一般程式影響，我們將系統切成**User mode**和**Kernel mode**。
* 而有些指令只能在Kernel mode執行。
* 如果需要用到那些指令，系統會先切換至Kernel mode執行工作，在結束時在重置回User mode。

## Computing Environments

* 作業系統在不同的需求下可能有特化出不同的服務。
* 最常見的是給一般使用者的視覺化服務，讓使用者不必打指令，也能直覺地使用電腦。
* 網路伺服器可能有分散式服務。
* 手機可能需要吃大量的感測器和提供通訊服務等。

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