ระบบปฏิบัติการและหลักการทำงาน

ระบบปฏิบัติการและหลักการทำงาน

ระบบปฏิบัติการ (Operating System)

                ระบบปฏิบัติการคือ ซอฟต์แวร์ชนิดหนึ่งที่ทำหน้าจัดการและควบคุมโปรแกรมประยุกต์และโปรแกรมที่เกี่ยวข้องอื่นๆ รวมไปถึงการติดต่อประสานงานกับอุปกรณ์อื่นๆที่เกี่ยวข้องเพื่อให้คอมพิวเตอร์สามารถปฏิบัติงานได้ตามที่ผู้ใช้ต้องการ

ไบออส (BIOS – Basic Input Output System) รากฐานรองรับระบบปฏิบัติการ

                ไบออสเป็นส่วนหนึ่งในกลุ่มคำสั่งที่บรรจุอยู่ในหน่วยความจำ ROM ซึ่งเก็บข้อมูลอย่างถาวรถึงแม้จะไม่มีไฟฟ้าหล่อเลี้ยงก็ตาม มีหน้าที่หลักคือ ควบคุมอุปกรณ์มาตรฐานในเครื่อง เช่น ซีพียู หน่วยความจำ ROM และRAM  เมนบอร์ด ฮาร์ดดิสก์ ฟล็อปปี้ดิสก์ พอร์ตแบบต่างๆเป็นต้น เช่น พอร์ตอนุกรม พอร์ต USB ฯลฯ

การเริ่มต้นทำงานของคอมพิวเตอร์  (Boot Up)

1.พาวเวอร์ซับพลายส่งสัญญาณไปให้ซีพรยูเริ่มทำงาน พาวเวอร์ซับพลาย (power supply) ทำหน้าที่จ่ายพล่งงานไปให้อุปกรณ์ต่างๆภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยจะเริ่มต้นทำงานทันทีเมื่อปุ่มกดเปิด (power on) และเมื่อเริ่มทำงานก็จะมีสัญญาณส่งไปบอกซีพียูด้วย เรียกว่า สัญญาณ Power Good

                2.ซีพียูจะสั่งให้ไบออสทำงาน ทันทีที่มีกระแสไฟฟ้าจ่ายมายังคอมพิวเตอร์และมีสัญญาณให้เริ่มทำงาน หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียูจะพยายามเข้าถึงข้อมูลในไบออสเพื่อทำงานตามชุดคำสั่งที่เก็บไว้โดยทันที

                3.เริ่มทำงานตามกระบวนการที่เรียกว่า POST เพื่อตรวจเช็คอุปกรณ์ต่างๆ กระบวนการPOST (power on self test) เป็นโปรแกรมส่วนหนึ่งในไบออสซึ่งทำหน้าที่ตรวจสอบความพร้อมของอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ในเครื่อง ไม่ว่าจะเป็นเมนบอร์ด RAM ซีพียู รวมถึงอุปกรณ์ต่อพวงอื่นๆเช่น คีย์บอร์ดหรือเมาส์

                4.ผลลัพธ์จากกระบวนการ POST จะถูกนำไปเทียบกับข้อมูลที่อยู่ซีมอส ข้อมูลของอุปกรณ์ต่างๆที่ถูกติดตั้งแล้วในเครื่องหรือค่า configuration จะเก็บอยู่ในหน่วยความจำที่เรียกว่า  ซีมอส (CMOS – complementary metal oxide semiconductor)

                5.ไบออสจะอ่านโปรแกรมสำหรับบู๊ตจากฟล็อปปี้ดิสก์ ซีดีหรือฮาร์ดดิสก์ ขั้นถัดไปไบออสจะเข้าไปอ่านโปรแกรมสำหรับบู๊ตระบบปฏิบัติการจากเซกเตอร์แรกของฮาร์ดดิสก์ ฟล็อปปี้ดิสก์หรือซีดีรอม

                6.โปรแกรมส่วนสำคัญจะถูกถ่ายลงหน่วยความจำ RAM เมื่อไบออสรู้จักระบบไฟล์ของไดรว์ที่บู๊ตได้แล้วก็จะไปอ่านโปรแกรมส่วนสำคัญของระบบปฏิบัติการที่เรียกว่า เคอร์เนล (kernel) เข้ามาเก็บในหน่วยความจำหลักหรือ RAM ของคอมพิวเตอร์เสียก่อน

                7.ระบบปฏิบัติการในหน่วยความจำเข้าควบคุมเครื่องและแสดงผล

                ประเภทของการบู๊ตเครื่อง

                1.โคลด์บู๊ต (Cold boot) เป็นบู๊ตเครื่องที่อาศัยการทำงานของฮาร์ดแวร์โดยการกดปุ่มเปิดเครื่อง (power on) แล้วเข้าสู่กระบวนการทำงานโดยทันที

                2.วอร์มบู๊ต (Warm boot) เป็นบู๊ตเครื่องโดยการทำให้เกิดกระบวนการบู๊ตใหม่ที่เรียกว่า การรีสตาร์ทเครื่อง (restart) โดยมากจะใช้ในกรณีที่เครื่องคอมพิวเตอร์ไม่สามารถทำงานต่อไปได้ (เครื่องแฮงค์) ซึ่งจำเป็นต้องการบู๊ตเครื่องกันใหม่

การจัดการกับไฟล์ (File Management)

                ความหมายของไฟล์ (File)

                ไฟล์ เป็นหน่วยในการเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์ ซึ่งอาจเก็บอยู่ในสื่อเก็บบันทึกข้อมูลต่างๆเช่น ฟล็อปปี้ดิสก์ ฮาร์ดดิสก์ หรือซีดีรอม เป็นต้น

                ลำดับโครงสร้างไฟล์ (Hierarchical File System)

                เมื่อต้องการเก็บข้อมูลก็จะมีการจัดเก็บไฟล์ที่แยกโครงสร้างออกเป็นส่วนๆเหมือนกิ่งกานสาขาต้นไม้แต่ละกิ่งเรียกว่า โฟลเดอร์ (Folder)  ซึ่งเป็นที่รวมไฟล์ข้อมูลเรื่องเดียวกันเข้าไว้เป็นหมวดหมู่เพื่อให้สามารถเรียกใช้ได้โดยง่ายแบ่งเป็น 2 ส่วนย่อยดังนี้คือ

                1.ไดเร็คทอรี (Directory) เป็นโฟล์เดอร์สำหรับจัดหมวดหมู่ไฟล์ขั้นสูงสุดในระบบ บางครั้งอาจเรียกว่า root directory ซึ่งบางระบบปฏิบัติการจะรวมทุกทุกไดรว์ไว้ในไดเร็คทอรีเดียวกัน

                2.ซับ ไดเร็คทอรี (sub Directory) เป็นโฟล์เดอร์ย่อยที่ถูกแบ่งและจัดเก็บไว้ออกมาอีกชั้นหนึ่ง โดยที่เราสามารถเอาข้อมูลและไฟล์จัดลงในซับไดเร็คทอรีได้เช่นเดียวกัน นอกจากนี้ยังสามารถสร้างซับไดเร็คทอรีย่อยๆลงไปอีกได้ไม่จำกัด

การจักการหน่วยความจำ (Memory Management)

                ในการประมวลผลกับข้อมูลที่ปริมาณมากหรือทำงานหลายๆโปรแกรมพร้อมๆกัน หน่วยความจำหลักประเภท RAM อาจมีเนื้อที่ไม่สำหรับเก็บข้อมูลในขณะประมวลผลได้ ระบบปฏิบัติการจะแก้ไขปัญหานี้โดยวิธีที่เรียกว่า หน่วยจำเสมือน (VIM – virtual memory) โดยใช้เนื้อที่ของหน่าวเก็บข้อมูลสำรอง เช่น ฮาร์ดดิสก์  (เรียกว่า สว็อปไฟล์ –swap file) และแบ่งเนื้อที่เหล่านั้นออกเป็นส่วนๆเรียกว่า เพจ (page) ซึ่งมากรกำหนดขนาดไว้แน่นอนจากนั้นระบบปฏิบัติการจะเลือกโหลดเอาเฉพาะข้อมูลในเพจที่กำลังจะใช้นั้นเข้าสู่หน่วยความจำ RAM จนกว่าจะเต็ม หลังจากนั้นหากยังมีความการใช้เนื้อที่ของ RAM เพิ่มอีก ก็จะจัดการถ่ายเทข้อมูลบางเพจที่ยังไม่ได้ใช้ในขณะนั้นกลับออกไปไว้ในหน่วยความจำสำรองเพื่อให้แรมมีเนื้อที่เหลือว่างสำหรับนำข้อมูลเพจใหม่ที่จะต้องใช้ในขณะนั้นเข้ามาแทนและสามารถทำงานต่อไปได้ วิธีการนี้ช่วยให้สามารถจดสรรหน่วยความจำที่มีจำกัดมาใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

การจัดการอุปกรณ์นำเข้าและแสดงผลข้อมูล (I/O Device Management)

                ในการทำงานของระบบคอมพิวเตอร์นั้น อุปกรณ์นำเข้ามากกว่าหนึ่งตัวสามารถส่งข้อมูลเข่ไปยังระบบปฏิบัติการได้พร้อมๆกัน และในขณะนั้นระบบปฏิบัติการก็อาจต้องการส่งข้อมูลจากหลายๆโปรแกรมไปยังอูปกรณ์แสดงผลด้วยเช่นกัน แต่เนื่องจากอัตราการรับส่งข้อมูลของแต่ละอุปกรณ์มีความเร็วต่ำกว่าซีพียูมาก ระบบปฏิบัติการจึงได้เตรียมพื้นที่ส่วนหนึ่ง จะเป็นในหน่วยความจำหรือ ฮาร์ดดิสก์ก็ตาม เรียกว่า บัฟเฟอร์ (buffer) เพื่อเป็นที่พักรอของข้อมูลที่อ่านเข้ามาเตรียมส่งออกไปยังอุปกรณ์แสดงผลต่างๆ

การจัดการกับหน่วยประมวลผลกลาง (CPU Management)

                ในระบบคอมพิวเตอร์ที่ต้องทำงานหลายๆงานพร้อมกันหรือที่เรียกว่า multi-tasking นั้น ระบบปฏิบัติการจำเป็นต้อมีการแบ่งเวลาของซีพียู เพื่อประมวลผลต่างๆเหล่านั้นด้วย เนื่องจากซีพียูสามารถทำงานได้เพียงทีละ หนึ่งคำสั่งเท่านั้น โดยจะสลับการทำงานไปมาระหว่างโปรแกรมของแต่ละงาน ผู้จึงมองเห็นเสมือนว่าหลายๆโปรแกรมทำงานได้ในเวลาเดียวกัน

                นอกจากนั้นในการทำงานกับคอมพิวเตอร์เพื่อให้การประมวลผลที่เร็วมากยิ่งขึ้น จะมีการใช้ซีพียูมากกว่าหนึ่งตัวเข้ามาทำงานร่วมกันหรือเรียกว่า multi-processing ซึ่งทำให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้หลายๆคำสั่งงานในเวลาเดียวกัน