電腦資料儲存（Strorage Structure）與作業系統的基礎概念

資料在電腦中的儲存與操作可以用「書櫃、書、書桌」的比喻來幫助理解，這些對應到 Storage Structure（儲存結構） 和 作業系統的運作方式，如下詳細說明：

電腦資料儲存結構的核心概念

1. 資料（Data）= 書本
2. 外部儲存裝置（External Storage）= 書櫃

• 是資料的長期儲存場所，類似硬碟（HDD）或外接硬碟。
• 它的特點是儲存容量大，適合存放大量的資料，但存取速度較慢。
• 資料不會因斷電而消失，屬於非揮發性記憶體（Non-Volatile Memory）

3. 主記憶體（Main Memory）= 書桌

• 是資料處理的臨時場所，我們常聽到的 RAM（Random Access Memory） 就是屬於主記憶體的一部分。
• 特點是存取速度快，但容量有限，因此需要優化使用。
• 當電腦關機或停電時，RAM 中的資料會被清空，屬於揮發性記憶體（Volatile Memory）。

4. 處理器（Processor / CPU）= 讀書的人

• 是執行指令、計算和處理資料的核心。
• CPU 從主記憶體（書桌）取出需要的資料進行運算。

資料存取過程：書櫃、書桌、讀書人

^{以下由 ChatGPT 補充}

從書櫃取書

• 當需要使用某些資料（書），CPU 會從外部儲存裝置（書櫃）中將資料讀取到主記憶體（書桌）。
• 這個過程通常需要作業系統（例如 Windows）幫忙，因為書櫃的位置需要被記錄和找到。
• 特點：慢，但能存大量資料。

書桌上操作

• 資料讀取到主記憶體後，CPU 可以快速處理（類似在書桌上翻書）。
• 數據分析或遊戲運行需要較大的 RAM，因為書桌越大，可以處理的書本（資料）就越多。
• 特點：快，但空間有限，電力中斷後資料消失。

回書櫃或丟棄書

• 當資料處理完畢，可能會：將修改過的資料儲存回外部裝置（書櫃）。不需要的資料直接丟棄（清空 RAM）。

參考資料及圖片來源：

Basics of OS (Storage Structure)

比較

小結

• 書櫃（外部儲存裝置）： 存量大，適合長期儲存資料，但存取速度慢。
• 書桌（主記憶體 RAM）： 存量小，但速度快，適合短期處理資料。
• 讀書人（CPU）： 負責處理資料，依賴書桌上的資訊進行運算。
• 作業系統： 像管理員一樣負責協調資料從書櫃到書桌的搬運，並處理資源分配和效率優化。

作業系統是什麼？

Operating System Tutorial

讓我們繼續談作業系統，像下圖電腦有那麼多單元，CPU 專門運算，Disks 外接應碟，有點像電腦的D槽。還有其他外接設備像是藍芽滑鼠等等，需要靠作業系統分配任務。他們有一條實體的「馬路」來互相傳遞訊息，而這條馬路就是 Common Bus！（同下圖各單元都有線連接）

圖片來源：Basics of OS (Computer System Operation)

Common Bus 的角色

^{以下資料參考ChatGPT}

1. 資料傳輸（Data Bus）
   負責把資料從一個硬體傳到另一個硬體，比如 CPU 和記憶體之間的數據交換。
2. 位址傳輸（Address Bus）
   用來傳遞位址訊息，告訴硬體該去哪裡找資料。例如，CPU 要從記憶體讀取資料時，會先透過 Address Bus 指定資料的位置。
3. 控制訊號（Control Bus）
   傳遞指令和控制訊號，例如「我要讀資料」或「我要寫資料」。

Common Bus 的硬體連結關係

每個硬體裝置都會掛載在 Common Bus 上，像是：

• CPU：負責計算的核心，需要透過 Bus 來存取記憶體或其他裝置。
• 記憶體（RAM）：CPU 通過 Bus 把需要計算的資料存到記憶體，或者從記憶體取出結果。
• I/O 裝置（輸入/輸出設備）：像鍵盤輸入文字，或者從硬碟讀取檔案，這些都需要經過 Common Bus。

作業系統的核心任務是什麼？

作業系統有點像電腦的大總管，它的工作就是協調硬體、軟體之間的合作，讓使用者可以輕鬆地執行任務。我們來看看作業系統裡幾個重要角色：

1. Kernel（核心）

Kernel 是整個作業系統的「指揮中心」，它負責直接跟硬體打交道，管理資源，像是分配記憶體、指揮 CPU 工作。可以說，Kernel 是硬體和軟體溝通的橋樑。

2. Shell（介面）

Shell 是使用者能操作的地方，它分成兩種形式：

• 文字介面（CLI）：像打指令那樣，比如在 Linux 的終端機裡輸入指令 ls，就可以看到檔案列表。
• 圖形介面（GUI）：就是我們平常用的滑鼠點點點，比如 Windows 桌面或 macOS 的操作環境。

所以，當你打開一個程式時，實際上是透過 Shell 向 Kernel 下命令。

3. Interrupt（中斷）和 System Call（系統呼叫）

• 中斷：簡單來說，中斷就是打斷 CPU 的正常工作，要求它優先處理更重要的事。例如你正在打字時，有 USB 插入，這個插入動作就會產生中斷，讓 CPU 暫時停止打字處理，去處理 USB 的連接。
• 系統呼叫：如果應用程式需要作業系統幫忙（比如存取檔案），就會透過系統呼叫向 Kernel 發出請求，讓它來處理。

４. Processor、Core 和 CPU ：

• Processor：是一個硬體元件，包含多個核心（Core）。它可以被看作是整個中央處理器的總稱。
• Core：是 Processor 中負責執行指令的基本運算單元。現代的處理器通常是多核心的，這意味著它可以同時執行多個指令，提升效率。
• CPU：通常與 Processor 同義，但更狹義地表示執行運算的部分。CPU 從記憶體中提取資料進行計算。例如，當你播放音樂時，CPU 會從記憶體讀取音樂檔案並解碼處理。

本篇僅淺談作業系統在電腦中扮演的角色，提到 CPU 需要從記憶體讀取資料做運算。下篇會繼續寫記憶體還有程式跟作業系統的互動。