# Mainframe Systems 大型電腦系統
世界最早電腦之一，擁有很大的體積
- I/O 慢、做的事情單一
- 提供較好的可靠性與安全性。
- 以下列的順序做進展：
- Batch 批次處理
- Multi-programming 多元程式系統
- Time-sharing 分時處理系統
# Batch 批次處理
- 運作方式：
- 電腦管理者 (operator) 必須親自決定執行順序
- 作業系統的角色很單純，只需要在一個工作完成後，切換到下一個工作
- 沒有複雜的排程或互動機制
- 特點：
- 一次只能處理一個程式
- 使用者在程式執行過程中無法做任何改變
- 適合單純、固定的工作流程，例如大量資料的批次計算
- 缺點：
- 沒有互動性：使用者只能等待程式執行完成，不能即時操作或修改
- I/O 非常慢：在早期電腦中，輸入輸出速度遠比 CPU 慢很多，造成 CPU 常常閒置而浪費資源
# Multi-programming 多元程式系統
在系統中同時放入多個程式，讓 CPU 與 I/O 可以 重疊 (overlap) 使用。
- 特點：
- 多個程式同時被 載入主記憶體 (main memory)
- 作業系統負責在程式之間切換，避免 CPU 因 I/O 延遲而浪費時間
- 優點：
- 減少 CPU 在 I/O 上的等待
- 提高系統整體效率，讓 CPU 專注在計算工作
- 缺點：
# Spooling (simultaneous peripheral operations on-line)
- 定義
一種 I/O 管理技術，讓 外部裝置的輸入輸出工作可以自動完成，不需要 CPU 全程干預。CPU 只需在 I/O 完成時被通知即可。常見於印表機、磁碟等裝置的排程- OS 的任務
1.Memory Management
2.CPU Scheduling
3.Job Management
4.I/O Management
印表機範例：
- 當有很多筆資料要交給印表機輸出時，CPU 會先把待印資料清單放到磁碟上的一個表格
- 印表機印完一筆資料後，會直接到表格中讀取下一筆，不需要 CPU 介入
- CPU 在放好清單後，就可以繼續做其他計算，而 I/O 也能持續執行
# 簡單比喻
可以把 Spooling 想成「餐廳點餐系統」：
- 顧客 (CPU) 把菜單 (待印清單) 交給廚房 (磁碟 buffer)
- 廚房 (I/O 裝置) 依照菜單一個一個完成，不需要顧客一直盯著
顧客交完菜單後就能去做別的事，等菜完成再被通知
# Time-sharing 分時處理系統
Time-sharing 是作業系統的一個重要演進階段，目的是讓多個使用者能同時與系統互動
- 特點：
- CPU 會不斷在不同程式之間快速切換
- 使用者能即時看到執行結果，感覺就像自己獨占電腦
- 支援多使用者同時操作，提升系統的互動性
# OS 的主要任務
- 虛擬記憶體 (Virtual Memory)
把 disk 當作 memory 解決 memory 不夠大到放下所有程式的問題 - 檔案系統與磁碟管理
提供多使用者同時存取檔案的能力 - 同步化 (Synchronization)、死結 (Deadlock)
當多個程式同時存取共享資源時，若同時修改可能導致資料不一致
# Mainframe System Summary
| - | Batch System | Multi-programming System | Time-sharing System |
|---|---|---|---|
| System Model | 單一使用者，單一工作 | 單一使用者，多重工作 | 多重使用者，多重工作 |
| Purpose | 提高 I/O 裝置使用率 | 提高 CPU 使用率 | 提供互動式使用者介面 |
| OS features | 簡單的工作排程 | 記憶體管理，CPU 排程 | 虛擬記憶體，檔案系統，同步化 |
# Computer-system architecture
# Desktop Systems: single processor
通常是單處理器電腦，不像大型主機或伺服器有多處理器架構，主要設計目標是提供個人使用者日常運算需求
- PC (Personal Computers)
桌面系統就是個人電腦 (PC)，只給一位使用者使用 - GUI (Graphical User Interface)
- 強調使用者便利性與即時回應
- 提供圖形化介面 (GUI) 讓使用者能直覺操作，例如視窗、圖示、滑鼠點擊
- 相較於早期的命令列介面，大幅提升了易用性
- I/O Devices
支援多種輸入輸出裝置：鍵盤、滑鼠、顯示器、印表機、音效卡、網路卡等。作業系統必須管理這些裝置，確保使用者能即時互動。 - 常見作業系統
- Windows：最普及的桌面 OS，強調 GUI 與應用程式支援
- MacOS：蘋果電腦專用，設計美觀、整合度高
- Unix/Linux：雖然起源於多使用者系統，但也有桌面版本，提供彈性與開放性
# Parallel Systems: tightly coupled
又稱為 Multiprocessor or tightly coupled system
多個 CPU 緊密連接在一起，共用同一個主記憶體 (shared memory)，這種架構強調 CPU 之間的協作與資源共享
- 目的與優點
- Throughput：提升整體計算量，增加系統效能
- Economical：多個 CPU 可共用記憶體、I/O 裝置、主機板，降低成本
- Reliability：若其中一個 CPU 故障，其他 CPU 仍能繼續工作，系統不會完全停擺
- 幾乎所有現代系統都是這種架構
# Symmetric multiprocessor system (SMP)
- 每個 CPU 地位平等：所有處理器都能直接執行程式，沒有「Master CPU」需要專門管理
- 同一個 OS 控制：作業系統統一管理所有核心，行程可以在不同核心之間自由移動
- 我們日常使用的 PC、伺服器，幾乎都是 SMP 架構。
- 因為多個 CPU 同時存取共享資源，必須進行大量的同步化 (synchronization)
- 目的在於保持資料的一致性與完整性
- 同步化會帶來額外的 overhead
# Asymmetric multiprocessor system (AMP)
- 有一個 Master CPU，專門負責管理其他 CPU
- Master CPU 不參與計算，只負責分派工作
- 其他 CPU 專注於計算，因此可以擴充更多核心
- 常見於超級電腦或需要大量計算的系統
# Multi-Core Processor
- 在 單一 CPU 晶片中整合多個核心 (Core)
- 每個核心都能獨立執行程式，提升效能
- 同一塊晶片內溝通，並行處理能力佳
- 節省空間與功耗
- 幾乎所有現代 PC、筆電、手機都使用多核心處理器
# Many-Core Processor
- 指擁有 數十到上千個核心的處理器，常用於 高效能計算 (HPC) 或 圖形處理 (GPGPU)
- 採用 SIMD (Single Instruction Multiple Data) 操作：同一指令同時處理大量資料
- 代表例子
- Intel Xeon Phi：專為 HPC 設計的多核心協處理器
- TILE64：64 核心處理器，用於高效能嵌入式系統
- GPGPU：圖形處理器 (GPU) 用於通用計算，上千核心並行
# Memory Access Architecture
# 1. UMA (Uniform Memory Access)
- 每個 CPU 存取記憶體的速度相同
- 使用者不需要在乎程式在哪個 CPU 上執行
缺點：當 CPU 數量增加時，記憶體可能成為 瓶頸 (bottleneck)
# 2. NUMA (Non-Uniform Memory Access)
- 每個 CPU 存取記憶體的速度不同，取決於記憶體的「距離」
- 採用 階層式架構 (hierarchy)，能建構更大型的系統
- 幾乎所有 高效能計算系統 (HPC) 都採用 NUMA
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# Distributed Systems: loosely coupled
- 須符合兩個條件
- 硬體上每台電腦都是自主的
- 軟體上用戶將整個系統看做是一臺電腦
- 優點
- 資源共享 (Resource Sharing)
- 加快計算速度 (Speed Up)
- 可靠性 (Reliability)
- 通訊需求 (Communication Need)
一般分為兩類，分別是 Client-Server System 和 Peer-to-peer。
# Client-Server
- 資源集中在 Server，Client 負責請求服務
- 管理與控制資源方便
- 缺點：Server 可能成為 瓶頸 (bottleneck) 或 單一失敗點 (single failure point)
- 例子：FTP (檔案傳輸協定)
# Peer-to-Peer (P2P)
- Decentralized：每個系統的角色相同，沒有固定的 Server
- 所有節點都能同時是 Client 也是 Server
- 例子：ppStream、BitTorrent、Internet
# Clustered Systems
- 共享儲存，用 Local Area Network (LAN) 去連接
- 通常會有一個 node 作為入口，對外提供 IP，外部使用者必須先連到這個節點，才能進入內部網路
- Asymmetric clustering：一台 server 負責執行應用程式，其他節點處於 standby 狀態。只有在主要 server 故障時才接手。
- Symmetric clustering：多個 host 同時執行應用程式。節點之間會 互相監視，確保系統穩定
# Special-purpose Systems
# Real-Time Operating Systems
一句話：Well-defined fixed-time contraints
- Real-time 代表會在 deadlines 之前做完
- 不介意速度
# Soft real-time
- 盡量不 miss deadline
- 很重要的工作會保持它的優先權直到完成
- 例子：多媒體系統
# Hard real-time
- 沒有在期限內完成會有嚴重的後果
- 系統通常不依賴 secondary storage (磁碟)，因為斷電後資料不能消失，必須存在於 短期記憶體 (short term memory)。
- 例子：核能電廠控制器若反應延遲，可能造成災難性後果。
# Multimedia Systems
涵蓋各種 音訊與視訊檔案，例如音樂播放、影片播放、串流服務
- Timing constraints：屬於 soft real-time，必須盡量在時間限制內完成避免延遲
- On-demand / Live streaming：支援即時播放或隨選串流，要求系統能快速反應
- Compression：多媒體檔案通常很大，需要各種壓縮技術 (如 MP3、H.264、HEVC) 來降低儲存與傳輸成本
# Handheld/Embedded Systems
使用 專門化硬體與專門化作業系統，例如手機、智慧手錶、嵌入式控制器。強調小型化與低功耗
- Limited memory：記憶體容量有限，必須精簡程式與資料。
- Slow processors：處理器效能相對較低，無法像桌面電腦一樣快速。
- Battery consumption：必須控制耗電
- Small display screens：螢幕尺寸小介面設計需要簡潔直觀。
# Ref：
- Mr. Opengate
- 陳品媛
