作業系統和 CPU 的學習文章統整（共六篇文章連結）

原以為我對硬體會很有興趣，而且摸得到得硬體應該不難，結果實際上寫筆記卡超久。難怪很少聽到文組轉硬體工程師😁 以下是 ChatGPT 重新幫我整理，針對作業系統和 CPU 發表文章的架構：

標題可以直接點，連結到我的細節文章q(≧▽≦q)

第一部分：操作系統的基礎觀念（OS 入門）

目標：理解操作系統是什麼，如何與硬體和使用者互動

1. OS 觀念：什麼是操作系統？
2. • 用手機或電腦系統當例子，解釋 OS 就像是「電腦的大總管」，負責管理硬體、軟體和應用程式的協作。
2. Kernel & Shell（核心與介面）
3. • 用「工廠」的比喻來解釋：Kernel 是工廠裡的主管，直接控制硬體。Shell 是工廠的接單業務，負責跟客戶溝通，傳遞工作指令。
3. Interrupt（中斷）與 System Call（系統呼叫） & System Bus
4. • 中斷（Interrupt）：就像遊戲通知彈出視窗，強行打斷你正在做的事，迫使你立刻處理更重要的事情。
   • System Call：程式向 OS 請求幫忙，比如開啟檔案或網路連線。
   • System Bus：像電腦裡的「資料高速公路」，用來傳輸指令和資料。
4. Processor, CPU, Core（處理器與核心）
5. • 用多核心手機比喻：Processor（處理器）：整個大腦，內含多個 Core（核心）。CPU（中央處理單元）：特指運算核心的執行部分，負責處理指令。

第二部分：硬體運作的基本機制（資料處理流程）

目標：了解 CPU 如何處理指令，記憶體如何儲存資料

1. Introduction to Memory (Big Picture)
2. • 記憶體的角色：用臨時辦公桌比喻記憶體（RAM），用儲藏室比喻硬碟。
2. Memory（RAM, SRAM, DRAM, ROM, Storage）
3. • RAM 像辦公桌，SRAM 像 CPU 的快取，ROM 像手機的系統資料。
3. Fetch-Execute Cycle of CPU（取指 - 解碼 - 執行）
4. • 用遊戲技能釋放比喻：Fetch（取指）：CPU 從記憶體中拿指令。Decode（解碼）：分析要做什麼。Execute（執行）：進行運算或執行指令。

第三部分：程式與執行緒（Process Management）

目標：了解作業系統如何管理程式

1. Process & Thread & Process Control Block（PCB）
2. • 遊戲副本比喻：Process（行程）：每個遊戲房間就是一個程式。Thread（執行緒）：遊戲中的每個角色就是一個執行緒。PCB（行程控制區塊）：遊戲房間裡的狀態紀錄，儲存誰進來過、血量等資訊。
2. Context Switch（上下文切換）
3. • 被打電話打斷後繼續寫作業的比喻，解釋 CPU 在程式間切換的過程。
3. Process State（行程狀態）
4. • 遊戲排隊比喻：角色從「建立、準備、等待、執行、終止」的過程，強調 Ready 不會直接到 Running。

第四部分：CPU 調度與排程策略

目標：理解程式的排程策略，如何讓多個應用程式同時執行

1. CPU Scheduling Criteria（CPU 調度準則）
2. • 解釋到達時間、完成時間等指標，像排隊系統一樣。
2. CPU Scheduling（Preemptive & Non-Preemptive）
3. • 用比賽排程和搶座位比喻，解釋八種常見的 CPU 排程策略。

第五部分：多程式協調與通訊機制

目標：處理多個應用程式的競爭與協作

1. Interprocess Communication（IPC, 行程間通訊）
2. • 籃球比賽比喻：不同球員（行程）之間需要共享資料。
2. Race Condition & Critical Section & Dekker's Algorithm
3. • 同時有大量的人按讚，如何讓來自不同地方的程式依序更新資料？
3. Deadlock 與形成的四個條件
4. • 兩輛車在窄巷相遇的場景，說明「死結」的形成與解決方案。

第六部分：記憶體管理與虛擬化技術

目標：記憶體分配與虛擬化應用

1. Logical Memory & Physical Address（邏輯與實體記憶體）
2. • 電影位置系統比喻，說明記憶體管理的邏輯分配。
2. Segmentation and Paging（分段與頁面管理）
3. • 用書架和圖書館的比喻，解釋記憶體分段與頁面交換。
3. Virtual Memory, Page In/Out, Disk Thrashing（虛擬記憶體管理）
4. • 後台應用管理比喻，解釋程式暫存到硬碟的過程。
4. Virtual Memory & Containers（虛擬記憶體與容器技術）
5. • 雲端遊戲伺服器比喻，說明虛擬化技術如何分配資源給不同的應用程式。

總結：學習順序的邏輯與文章連結。

1. 操作系統基礎（OS 入門)
2. 硬體運作基礎（CPU 與記憶體）
3. 程式執行流程（Process 與執行緒）
4. CPU 資源管理（排程與調度）
5. 多程式管理（Process 間的通信與死結）
6. 記憶體管理與虛擬化（進階技術）