作業系統筆記 Historical Prospective

周志遠教授作業系統開放式課程

作業系統介於硬體和軟體之間，是不可或缺的

Mainframe Systems

• 最早的電腦，體積很大
• IO 很慢，做的事情非常單一
• 演化順序：Batch -> Multi-programming -> Time-shared
• 現在仍然存在，意旨專門處理一件事情的機器，很多伺服器在用，負責大量資料的處理

Batch

• 電腦管理者要親自決定執行順序，決定哪個程式要先執行
• 工作很單純，所以 OS 不需要做甚麼特別的事情，除了基本工作以外，只需要把一項工作切換到下一個
• 缺點
  • 一次只能處理一個程式
  • 沒有 interaction，在執行一個工作的過程中，使用者完全沒辦法做任何改變
  • IO 非常慢，導致 CPU 常常掛機，浪費資源
    • IO 速度遠比 CPU 速度慢

Multi-programming

• 讓系統裡面放多個程式
  • 當一個程式在做 IO 時，就可以切換到別的程式，overlap CPU 和 IO 的計算，保證 CPU 持續工作
• Spooling (Simutaneous Peripheral Operation On-Line)
  • 不用 CPU 干預就可以完成 I/O 的工作
  • CPU 只需要在 IO 做完的時候被通知就好
• CPU 在執行的時候只能讀取 memory，所以我們把多個程式同時 load 到 main memory
  • 要 load disk 的哪些程式到 memory？-> Job Scheduling
  • 要 load memory 的哪些程式到 CPU？-> CPU Scheduling
• 在其中，OS 的工作包含：
  • Memory management，要分配多少記憶體給這些程式
  • CPU Scheduling，CPU 要執行 memory 的哪些程式
  • IO system，如何透過 interrupt，實現 Spooling

Time-Sharing System (Multi-tasking)

• Multi-programming 讓 CPU 的使用率變高，但是對於單一程式而言，可能會執行更慢
• 使用者想要隨時與程式做互動，也希望可以很多使用者同時使用電腦
• 用時間的觀念去切割資源，讓所有程式一起執行
• 很頻繁切換 CPU 和 IO，就可以偵測使用者的 input，就有互動的感覺
• 不是一次做完一個程式的計算，而是每個程式只計算幾毫秒，就切換到下一個程式，讓使用者以為所有程式同時在執行
• 在其中，OS 的工作包含
  • Virtual memory，把 disk 當作 memory，因為我想要塞更多程式到 memory，但是 memory 不夠大
  • File system 和 disk management，有了 interactive，使用者就可以直接管理檔案
  • Process synchronization 和 deadlock，程式和程式之間可以溝通，當他們同時修改 memory 的內容時就會有問題

Computer-system architecture

Desktop Systems: single processor

• PC (Personal Computers)，只給一位 user 使用
• GUI (User convenience and responsiveness)
• I/O devices
• Windows, MacOS, Unix, Linux

Parallel Systems: tightly coupled

• 又稱為 Multiprocessor or tightly coupled system
• 很多 CPU 緊密在一起
• 這些 CPU 用同個 shared memory
• Purposes
  • Throughput
    • 計算量增加
  • Economical
    • 很多東西可以共用，memory、CPU、IO device、主機板…
  • Reliability
    • 一個 CPU 掛了，其他還能繼續工作
• 現今所有系統都是這種系統

SMP (Symmetric multiprocessor system)

• 每個 CPU 的角色相同，都由 OS 控制，沒有 Master
• 比較簡單，所以比較普及，我們手上有的系統幾乎都是這類
• 需要 synchronization，增加 overhead
• Master CPU 無法用來計算，只能用來管理

AMP (Asymmetric multiprocessor system)

• 超級電腦等需要大量計算的會用這類
• 有一個 Master CPU，只用來管理其他 CPU ，所以 core 可以比較多

Multi-Core Processor

• 一個 CPU 裡面有很多 Core

Many-Core Processor

• GPGPU
  • Single Instruction Multiple Data (SIMD) 的操作
  • 上千個 core
• Intel Xeon Phi
• TILE64

Memory Access Architecture

Uniform Memory Access (UMA)

• 每個 CPU access memory 的速度相同，使用者不用在乎現在是在哪個 CPU 上執行
• CPU 增加時，memory 可能開始有 bottleneck

Non-Uniform Memory Access (NUMA)

• 每個 CPU 的 access time 變得不同
• hierarchy 的架構，可以建構更大的電腦
• 高效能計算系統都是 NUMA

Distributed Systems: loosely coupled

• 每個 processor 有 local memory，不會 share
• 很好擴展更多裝置
• Purposes
  • Resource sharing
  • Load sharing
    • 某電腦工作量太大可以分給別台做
  • Reliability
    • 一台電腦壞掉不會影響其他台

Client-Server

• 很好管理與控制資源
• Server 可能會變成 bottleneck 或是 single failure point
• FTP

Peer-to-Peer

• Decentralized，每個系統的角色是一樣的
• ppStream, bitTorrent, Internet

Clustered Systems

• Share Storage
• 通常用 Local Area Network (LAN)，在同個區域，所以會更快
• Asymmetric clustering, Symmetric clustering

Special-purpose Systems

Real-Time Operating Systems

• Well-defined fixed-time contraints
  • Real-time 代表會在 deadlines 之前做完，跟做得速度沒關係

Soft real-time

• 盡量完成，沒完成也不會有什麼損失
• 會有 priority，比較重要的會先做
• Ex: multimedia streaming
  • 畫面不是馬上畫出來，可能會先出現線條，然後顏色，最後高解析度

Hard real-time

• 沒有在 deadline 完成，會造成嚴重的後果
• Secondary storage limited or absent
  • 沒有 disk，因為讀取太慢，而且讀取時間不好掌握
• Ex: nuclear power plant controller

Multimedia Systems

• A wide range of applications including audio and video files
• Issues
  • Timing contraints，屬於 soft real-time
  • On-demand/live streaming
  • Compression，有各種壓縮技術

Handheld/Embedded Systems

• Hardware specialized OS
• Issues
  • Limited memory
  • Slow processors
  • Battery consumption
  • Samll display screens