บทที่ 8 โครงสร้างระบบปฏิบัติการ

จัดทำโดย นาย พัทธนันท์ อุรัตน์ รหัสนักศึกษา 6031280059 

โครงสร้างของระบบปฏิบัติการ Operating System Structure

 เนื่องจากหน้าที่ความรับผิดชอบของระบบปฏิบัติการในการควบคุมดูแลการทำงานของระบบเครื่องคอมพิวเตอร์มีมากมาย จึงทำให้โครงสร้างทางโปรแกรมของระบบปฏิบัติการมีความสลับซับซ้อนมาก เพื่อความสะดวกในการออกแบบผู้ออกแบบจึงจัดแบ่งระบบปฏิบัติการออกเป็นส่วนย่อยๆ หลายๆ ส่วน แต่ละส่วนมีหน้าที่รับผิดชอบการทำงานในแต่ละด้านโดยไม่คาบเกี่ยวกันแต่สัมพันธ์กัน เพื่อให้เข้าใจถึงโครงสร้างของระบบปฏิบัติการ เราจะแบ่งส่วนการทำงานของระบบปฏิบัติการออกเป็นชั้นๆ ตามลำดับของการทำงานที่มีความเกี่ยวข้องกับฮาร์ดแวร์และผู้ใช้จากมากไปน้อย

ระดับชั้นการทำงานของ OS

  การทำงานของโปรแกรมต่างๆ ในแง่ผู้ใช้เราอาจแบ่งได้ออกเป็น 3 ระดับ
1.โปรแกรมทั่วไปหรือผู้ใช้เอง
2.ระบบปฏิบัติการ (OS)
3.ฮาร์ดแวร์ของเครื่องคอมพิวเตอร์
ทั้ง 3 ระดับมีความสัมพันธ์กันคือระบบปฏิบัติการจะเป็นตัวเชื่อมโยงระหว่างผู้ใช้และฮาร์ดแวร์ของเครื่องโดยทำหน้าที่ติดต่อและควบคุมการทำงานของฮาร์ดแวร์ เพื่อให้โปรแกรมหรือคำสั่งของผู้ใช้ทำงานสำเร็จ ลุล่วงไปได้

รูปที่1 ระดับชั้นการทำงานของโปรแกรม

รูปที่2 ระดับชั้นการทำงานของโปรแกรม

ระดับชั้นภายในตัวระบบปฏิบัติการ 

  ระดับชั้นที่ 1  เป็นระดับชั้นที่ต่ำที่สุดมีชื่อเรียกว่า เคอร์เนล (Kernel)
เป็นชั้นที่มีหน้าที่รับผิดชอบงานต่าง ๆ ของโปรเซสของระบบปฏิบัติการเท่านั้น
    เคอร์เนลประกอบด้วยส่วนย่อย ๆ พื้นฐาน 3 ส่วน คือ
  1. ตัวส่ง (dispatcher) มีหน้าที่จัดการส่งโปรเซสเข้าไปให้ซีพียู 

  2. ตัวจัดการอินเตอร์รัพต์ขั้นแรก (first-level interrupt handler) มีหน้าที่วิเคราะห์       การอินเตอร์รัพต์ที่ เกิดขึ้น และเลือกใช้รูทีนที่เหมาะสมกับอินเตอร์รัพต์นั้นๆ
  3. ตัวควบคุมมอนิเตอร์ (monitor control) มีหน้าที่ควบคุมดูแลการเข้าถึงมอนิเตอร์ต่าง ๆ ของระบบ

 ความสัมพันธ์ของเคอร์เนลและฮาร์ดแวร์

รูปที่3 ความสัมพันธ์ของเคอร์เนลและฮาร์ดแวร์

   เคอร์เนลยังมีหน้าที่อื่นๆ อีก เช่น จัดการเรื่องการเข้าจังเหวะของโปรเซส (process   synchronization) และการติดต่อระหว่างโปรเซส (process communication)

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 

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

รูปที่8  แสดงระดับชั้นที่ 6 ของ OS

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

อ้างอิง แหล่งที่มาข้อมูล

https://sites.google.com/site/patibatkran11/khorngsrang-khxng-rabb-ptibati-kar

http://chantra.sru.ac.th/OS.html