บทที่ 8 โครงสร้างระบบปฏิบัติการ
บทที่ 8 โครงสร้างของระบบปฏิบัติการ
โดย นายอาทิตย์ ยลระบิล รหัสนักศึกษา 6031280069
โครงสร้างของระบบปฏิบัติการ
เนื่องจากหน้าที่ความรับผิดชอบของระบบปฏิบัติการในการควบคุมดูแลการทำงานของระบบเครื่องคอมพิวเตอร์มีมากมาย
จึงทำให้โครงสร้างทางโปรแกรมของระบบปฏิบัติการมีความสลับซับซ้อนมาก
เพื่อความสะดวกในการออกแบบผู้ออกแบบจึงจัดแบ่งระบบปฏิบัติการออกเป็นส่วนย่อยๆ
หลายๆ ส่วน
แต่ละส่วนมีหน้าที่รับผิดชอบการทำงานในแต่ละด้านโดยไม่คาบเกี่ยวกันแต่สัมพันธ์กัน
เพื่อให้เข้าใจถึงโครงสร้างของระบบปฏิบัติการ
เราจะแบ่งส่วนการทำงานของระบบปฏิบัติการออกเป็นชั้นๆ
ตามลำดับของการทำงานที่มีความเกี่ยวข้องกับฮาร์ดแวร์และผู้ใช้จากมากไปน้อย
รูปที่1 ระดับชั้นการทำงานของโปรแกรม
รูปที่2 ระดับชั้นการทำงานของโปรแกรม
ในรูปที่2
เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการแสดงความสัมพันธ์ของโปรแกรมระบบปฏิบัติการและฮาร์ดแวร์ของเครื่องที่จะกล่าวต่อไปนี้เป็น
ระดับชั้นภายในตัวระบบปฏิบัติการเท่านั้น
ซึ่งจะใช้รแบบการแสดงความสัมพันธ์ของระดับชั้นต่างๆ
ในลักษณะเดียวกันกับรูปที่ 2ระดับชั้นแรกสุด เป็นระดับชั้นที่ต่ำที่สุดมีชื่อเรียกว่า เคอร์เนล (kernel) เป็นชั้นที่มีหน้าที่รับผิดชอบงานต่าง ๆ ของโปรเซสของระบบปฏิบัติการ เท่านั้น เคอร์เนลประกอบด้วยส่วนย่อย ๆ พื้นฐาน 3 ส่วน คือ
ตัวส่ง (dispatcher) มีหน้าที่จัดการส่งโปรเซสเข้าไปให้ซีพียู
ตัวจัดการอินเตอร์รัพต์ขั้นแรก (first-level interrupt handler) มีหน้าที่วิเคราะห์การอินเตอร์รัพต์ที่ เกิดขึ้น และเลือกใช้รูทีนที่เหมาะสมกับอินเตอร์รัพต์นั้นๆตัวควบคุมมอนิเตอร์ (monitor control) มีหน้าที่ควบคุมดูแลการเข้าถึงมอนิเตอร์ต่าง ๆ ของระบบ
การทำงานของส่วนย่อยทั้ง 3ของเคอร์เนลต้องการความเร็วในการทำงานสูงมากเพราะเป็นงานขั้นพื้นฐานและมีการทำงานบ่อยมาก ดังนั้น เคอร์เนลมักจะถูกเขียนขึ้นด้วยภาษาแอสเซมบลี้ และเป็นส่วนที่ขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ของเครื่อง (hardware dependent) ด้วย นั่นคือ ถ้าโครงสร้างทางฮาร์ดแวร์ของเครื่องมีการเปลี่ยนแปลง ส่วนของเคอร์แนลต้องถูกนำมาแก้ไขใหม่ด้วย เพื่อให้สามารถทำงานกับฮาร์ดแวร์ชิ้นใหม่ได้ นอกจากหน้าที่พื้นฐานทั้ง 3แล้ว เคอร์เนลยังมีหน้าที่อื่นๆ อีก เช่น จัดการเรื่องการเข้าจังเหวะของโปรเซส (process synchronization) และการติดต่อระหว่างโปรเซส (process communication) รูปที่3 แสดงความสัมพันธ์ของเคอร์เนลกับฮาร์ดแวร์ของเครื่อง
ชั้นที่ 2 ผู้จัดการหน่วยความจำ (memory manager) มีหน้าที่จัดการเกี่ยวกับหน่วยความจำของระบบ เช่น การทำหน่วยความจำเหมือนระบบหน้า เป็นต้น เนื่องจากการจัดการหน่วยความจำบางส่วนต้องยุ่งเกี่ยวกับโครงสร้างทางฮาร์ดแวร์ของเครื่อง ดังนั้น ในส่วนของผู้จัดการหน่วยความจำจึงมีลักษณะขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ด้วยเช่นเดียวกัน บางครั้งการทำงานในชั้นนี้ก็อาศัยรูทีนบางอย่างของเคอร์เนลด้วย ตัวอย่างเช่น เคอร์เนลตรวจสอบพบอินเตอร์รัพต์ที่เกิดจากความผิดพลาดในการใช้งานหน่วยความจำ เคอร์เนลจะเลือกและส่งงานที่เหมาะสมกับการจัดการสัญญาณอินเตอร์รัพต์ที่เกิดขึ้นมาให้ผู้จัดการหน่วยความจำจัดการแก้ไข ในรูปที่ 8.4 แสดงตำแหน่งของผู้จัดการหน่วยความจำ
รูปที่4 ระดับชั้นที่ 2 ของระบบปฏิบัติการ
ชั้นที่ 3 ระบบ ควบคุมอินพุต-เอาต์พุต (input-output control system) หรือ
IOCS จะมีหน้าที่จัดการงานทางด้านอินพุตเอาพุตของระบบ
ในชั้นนี้ยังคงมีลักษณะขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์อยู่บ้าง
เพราะการติดต่อกับอุปกรณ์อินพุต-เอาต์พุตต้องทราบโครงสร้างและการทำงานของอุปกรณ์นั้นๆด้วย
ซึ่งส่วนนี้เป็นหน้าที่ของตัวขับอุปกรณ์ (device driver) นอกจากนี้ IOCS
ยังต้องอาศัยรูทีนบางอย่างทั้งจากเคอร์เนล
และผู้จัดการหน่วยความจำในการทำงานของมันอีกด้วย ตัวอย่างเช่น
เคอร์เนลจัดหารูทีนที่เหมาะสมกับการเกิดอินเตอร์รัพต์จากอุปกรณ์อินพุต-เอาต์พุต
ให้ IOCS ทำงานหรือ IOCS
เรียกใช้รูทีนผู้จัดการหน่วยความจำให้ช่วยหาเนื้อที่ในหน่วยความจำเพื่อใช้ทำบัฟเฟอร์ของอุปกรณ์ต่างๆ
รูปที่ 8.5 แสดงระดับชั้นเมื่อเพิ่มชั้นของ IOCS เข้าไป
รูปที่5 ระดับชั้นที่ 3 ของระบบปฏิบัติการ
ระดับชั้นที่
1,2 และ 3 เป็นส่วนที่มีความสำคัญและมีการถูกเรียกใช้งานบ่อยมาก
ดังนั้นผู้สร้างระบบ
ปฏิบัติการส่วนใหญ่จะเขียนโปรแกรมในส่วนนี้ด้วยภาษาแอสเซมบลี้หรือภาษาที่สามารถเข้าถึงระบบการทำงานของเครื่องได้
เช่น ภาษา C เป็นต้น
ทั้งนี้เพื่อให้โปรแกรมทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง
ส่งผลให้ประสิทธิ-ภาพการทำงานของระบบดีขึ้น ส่วนการทำงานของชั้นต่างๆ
ตั้งแต่ระดับชั้นที่ 4 ขึ้นไปจะเรียกใช้รูทีนต่างๆ ของ 3 ระดับแรก
และลดความขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์ลงไปเรื่อยๆ
เพราะสามารถติดต่อกับฮาร์ดแวร์ผ่านทาง 3 ระดับแรกได้
ชั้นที่ 4 ผู้จัดการไฟล์ (file manager) มีหน้าที่จัดการงานต่างๆ
ที่เกี่ยวกับไฟล์ เช่น การเก็บไฟล์ลงดิสก์ การหาไฟล์
การอ่านข้องมูลของไฟล์ เป็นต้น
ผู้จัดการไฟล์นี้สามารถถูกออกแบบให้ไม่ขึ้นกับฮาร์ดแวร์ (hardware
independent)
ผู้จัดการไฟล์จะจะติดต่อกับฮาร์ดแวร์โดยเรียกผ่านรูทีนต่างๆของ เคอร์เนล
ผู้จัดการหน่วยความจำและ IOCS รูปที่ 8.6
แสดงระดับชั้นของระบบปฏิบัติการเมื่อเพิ่มระดับชั้นของ ผู้จัดการไฟล์เข้าไปการทำงานของผู้จัดการไฟล์ไม่จำเป็นต้องสนใจว่าการติดต่อกับดิสก์เกิดขึ้นอย่างไร
มีขั้นตอนเช่นไร
มันทราบเพียงแค่ว่าระบบมีรูทีนที่ทำหน้าที่นี้ไว้ให้ใช้เรียบร้อยแล้วในระดับชั้นที่ต่ำกว่า
ลักษณะเช่นนี้เป็นลักษณะเด่นและดีของการแบ่งระบบปฏิบัติการ
(หรือโปรแกรมอื่นๆ ทั่วไป)ออกเป็นระดับชั้นต่างๆ
กล่าวคือในแต่ละชั้นถูกกำหนดให้มีหน้าที่หรือรูทีนในการทำงานที่แน่นอนและแต่ละชั้นก็รู้วิธีการหรือรูปแบบการเรียกใช้รูทีนในชั้นต่ำกว่า
และขณะเดียวกันก็มีข้อกำหนดของรูแแบบหรือวิธีที่ให้ชั้นที่หนือกว่าเรียกใช้รูทีนในชั้นของมันได้
ตราบใดที่หน้าที่ของรูทีนและข้อกำหนดของการเรียกใช้รูทีนระหว่างชั้นยังคงเหมือนเดิม
การเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของโปรแกรมภายในชั้นหนึ่งๆ
จะไม่มีผลกระทบต่อการทำงานของชั้นอื่นๆ เลย ตัวอย่างเช่น
ในกรณีของผู้จัดการไฟล์ยังคงเก็บข้อมูลเป็นไฟล์
สมมติว่าเราเปลี่ยนอุปกรณ์เก็บข้อมูลจากดิสก์เป็นฮาร์ดดิสก์
ชั้นของผู้จัดการไฟล์ยังคงเก็บข้อมูลเป็นไฟล์ได้เช่นเดิมไม่เปลี่ยนแปลง
แต่วิธีการเก็บไฟล์ในส่วนของชั้น IOCS ต้องถูกแก้ไขให้ทำงานได้
ถูกต้องตามลักษณะโครงสร้างของฮาร์ดดิสก์
รูปที่6 ระดับชั้นที่ 4 ของระบบปฏิบัติการ
ชั้นที่ 5 ตัวคิวระยะสั้น (short-term scheduler) เป็นระดับชั้นแรกที่มีลักษณะไม่ขึ้นอยู่กับฮาร์ดแวร์โดยสมบูรณ์ มีหน้าที่จัดคิวของโปรเซสในสถานะพร้อม (ready state) เมื่อใดที่ส่วนนี้ทำงานมันจะคัดเลือกเอาโปรซสที่เหมาะที่สุดในคิวของสถานะพร้อม
เพื่อให้โปรเซสนั้นเข้าไปครอบครองซีพียูที่ว่างอยู่
โดยเรียกใช้ตัวส่งในส่วนของเคอร์เนล รูปที่ 8.7
แสดงระดับชั้นของตัวจัดคิดระยะสั้น
รูปที่7 แสดงระดับชั้นที่ 5 ของ OS
อาจกล่าวได้ว่าตัวจัดคิดระยะสั้นเป็นส่วนที่มีหน้าที่จัดสรรซีพียู ซึ่งเป็นทรัพยากรประเภทหนี่งของระบบ
ชั้นที่ 6 ผู้จัดการทรัพยากร (resource manager) เป็นระดับชั้นของส่วนที่หน้าที่จัดสรรหาทรัพยากรอื่นๆในระบบ
ดังแสดงในรูปที่ 8.8
บางครั้งตัวจัดคิวระยะสั้นและผู้จัดการทรัพยากรอยู่สลับที่กัน
(ดังแสดงในรูปที่8.9 )
ทั้งนี้เพราะหลังจากที่ตัวจัดคิวระยะสั้นส่งโปรเซสเข้าไปในสถานะรันแล้ว
โปรเซสนั้นอาจต้องการทรัพยากรอื่นๆ ในระบบ
ดังนั้นจึงต้องเรียกใช้รูทีนในชั้นผู้จัดการทรัพยากร
รูปที่ 9 การสลับชั้นของตัวจัดคิดระยะสั้นและผู้จัดการทรัพยากร
ชั้นที่ 7 ตัวจัดคิวระยะยาว (long-term scheduler) เป็นชั้นของระบบปฏิบัติที่เริ่มมีความใกล้ชิดกับผู้ใช้และห่างไกลกับฮาร์ดแวร์ของเครื่องมากขึ้น
มีหน้าที่จัดการและควบคุมโปรเซสต่างๆ ทั้งหมดในระบบเช่นสร้างโปรเซสต่าง ๆ
ใหม่เข้ามาในระบบและยุติโปรเซสเมื่อโปรเซสทำงานเสร็จสิ้นลง
การทำงานของตัวจัดคิวระยะยาวต้องใช้รูทีนต่างๆ ในชั้นที่ 1 ถึง 6
ช่วยในการทำงาน (รูปที่ 8.10 แสดงตำแหน่งของตัวจัดคิวระยะยาว)
รูปที่10 แสดงระดับชั้นที่ 7 ของ OS
ชั้นที่ 8 เชลล์ (shell) หรือผู้แปลคำสั่ง (command interpreter) เป็นชั้นสุดท้ายซึ่งเป็นชั้นที่ใกล้ชิดกับผู้ใช้มากที่สุด
มีหน้าที่ติดต่อกับผู้ใช้โดยตรง เช่น ส่งเครื่องหมายพร้อมต์ (prompt)
แสดงออกทางจอภาพ รับคำสั่งต่างๆ
ของผู้ใช้มาตีความคำสั่งและเรียกรูทีนต่างๆของชั้นล่างๆ
เพื่อให้ได้งานตามคำสั่งที่ได้รับ รูปที่ 8.11 แสดงตำแหน่งของผู้แปลคำสั่ง
แและรูปที่ 8.12 แสดงระดับทั้งหมดของโปรแกรม
รูปที่11 แสดงระดับชั้นที่ 8 ของ OS
รูปที่12 ระดับชั้นต่างๆ ของโปรแกรม
แหล่งที่มาของข้อมูล
- https://sites.google.com/site/patibatkran11/khorngsrang-khxng-rabb-ptibati-kar
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น