A1.3 作業系統與控制系統
作業系統（Operating System, OS）是管理硬體資源、讓應用程式能正常執行的系統軟體；控制系統（control system）則是用感測器與致動器自動調整環境的系統。本頁說明作業系統的主要功能、排程與記憶體管理、輪詢與中斷，以及控制系統的回饋迴路，並標出 HL 加深的多工與記憶體管理內容。
作業系統負責哪些工作？
| 功能 | 說明 |
|---|---|
| 行程管理（process management） | 建立、排程與結束執行中的程式（行程） |
| 記憶體管理（memory management） | 分配與回收 RAM，避免程式互相覆寫 |
| 檔案管理（file system management） | 組織檔案與資料夾、控制存取權限 |
| 裝置管理（device management） | 透過驅動程式（driver）與硬體溝通 |
| 安全性（security） | 使用者帳號、權限、驗證 |
| 使用者介面（user interface） | 提供 GUI 或命令列（CLI） |
作業系統是一種 抽象化（abstraction）：應用程式只要呼叫「開檔」，不需要知道硬碟的磁區怎麼排列。
作業系統如何排程？
單一 CPU 核心一次只能執行一個行程，作業系統用 排程演算法（scheduling algorithm） 決定誰先用 CPU：
| 演算法 | 規則 | 優缺點 |
|---|---|---|
| 先到先服務（First-Come First-Served, FCFS） | 依抵達順序執行完 | 簡單；長工作會拖住後面的短工作 |
| 最短工作優先（Shortest Job First, SJF） | 先執行需時最短者 | 平均等待時間短；長工作可能一直等不到（starvation） |
| 輪轉法（Round Robin） | 每個行程輪流用一小段時間（time slice） | 公平、反應快；切換太頻繁會浪費時間 |
| 優先權排程（Priority） | 依優先權高低執行 | 重要工作先做；低優先權可能飢餓 |
輪詢和中斷有什麼不同？
CPU 有兩種方式知道外部裝置需要處理：
- 輪詢（polling）：CPU 定期主動檢查裝置狀態。實作簡單，但沒事時也在檢查，浪費 CPU 時間。適合事件頻繁、時間可預測的情境。
- 中斷（interrupt）：裝置有事時送訊號給 CPU，CPU 暫停目前工作、儲存狀態，執行 中斷服務程式（Interrupt Service Routine, ISR） 後再回來。反應快、效率高，適合不定時發生的事件，例如鍵盤輸入、網路封包抵達。
多工與記憶體管理
HL 延伸：本節僅 HL 需要
SL 學生可略過本節。
什麼是多工處理？
多工處理（multitasking）讓多個行程看起來同時執行。作業系統快速在行程間切換（context switch：儲存目前行程的暫存器狀態，載入下一個行程的狀態），每個行程只拿到很短的 CPU 時間。多核心 CPU 則能真正同時執行多個行程。
多工會帶來 死結（deadlock） 風險：行程 A 持有資源 1 等資源 2，行程 B 持有資源 2 等資源 1，兩者永遠互等。
分頁與分段有什麼差別？
- 分頁（paging）：把程式與實體記憶體切成固定大小的頁（page）與頁框（frame），用分頁表對應。不會產生外部碎片，是現代 OS 的主流做法。
- 分段（segmentation）：依程式的邏輯單位（程式碼段、資料段、堆疊段）切成大小不一的段。符合程式結構，但容易產生外部碎片。
- 虛擬記憶體（virtual memory）：RAM 不夠時，把暫時不用的頁換到硬碟上的置換空間（swap）。讓程式能使用超過 RAM 的空間，但若頻繁換頁會造成 thrashing，效能大幅下降。
控制系統如何運作？
控制系統透過 回饋迴路（feedback loop） 自動維持目標狀態：
- 感測器（sensor） 測量環境，例如溫度。
- 控制器（controller，通常是微處理器） 比較測量值與設定值（setpoint）。
- 致動器（actuator） 依控制器指令動作，例如開啟暖氣。
- 環境改變後，感測器再次測量，形成迴圈。
flowchart LR
S["感測器<br/>測量溫度"] --> C["控制器<br/>比較設定值"]
C --> A["致動器<br/>開關暖氣"]
A --> E["環境<br/>室溫改變"]
E --> S- 開迴路（open-loop）：不看結果，照固定流程執行，例如定時烤麵包機。
- 閉迴路（closed-loop）：依回饋調整，例如恆溫器、汽車定速巡航。
常見應用：自動門、電梯、交通號誌、溫室灌溉、工業機器手臂。
推薦影音
作業系統
簡述：從批次處理講到多工、虛擬記憶體與記憶體保護，對應本頁的 OS 功能、多工與記憶體管理。
虛擬記憶體與分頁
簡述：BitLemon 用動畫說明為什麼程式不直接存取實體記憶體、分頁表如何把虛擬位址轉成實體位址，適合 HL 學生理解分頁。
檔案與檔案系統
簡述：說明檔案格式、目錄結構與檔案系統如何在磁碟上配置資料，對應作業系統的檔案管理功能。
練習題
練習 1：輪詢或中斷
溫室每 10 分鐘讀一次濕度，以及使用者隨時可能按下的緊急停止按鈕，各適合用輪詢還是中斷？
參考答案
濕度讀取時間固定且可預測，用 輪詢 即可；緊急停止按鈕不定時發生且必須立刻處理，應用 中斷。
練習 2：排程計算
三個行程依序抵達：P1 需 8 ms、P2 需 2 ms、P3 需 4 ms。分別計算 FCFS 與 SJF 的平均等待時間。
參考答案
FCFS：等待時間 P1 = 0、P2 = 8、P3 = 10，平均 = 18/3 = 6 ms。SJF（P2 → P3 → P1）：P2 = 0、P3 = 2、P1 = 6，平均 = 8/3 ≈ 2.67 ms。
練習 3：設計控制系統
描述一個自動澆水系統的感測器、控制器與致動器，並說明它是開迴路還是閉迴路。
參考答案
感測器：土壤濕度感測器；控制器：微控制器比較濕度與設定值；致動器：電磁閥或水泵。因為依測量的濕度決定是否澆水，屬於 閉迴路。
HL 練習：分頁與 thrashing
說明為什麼同時開太多大型程式時，電腦會變得非常慢，甚至硬碟燈一直亮。
參考答案
RAM 不足時，OS 把頁換到硬碟上的虛擬記憶體。行程不斷需要已被換出的頁，OS 就不停在 RAM 與硬碟間搬移頁（thrashing），大部分時間花在 I/O 而不是執行程式，所以效能大幅下降、硬碟持續存取。