System Software

歡迎來到系統軟件（A Level 9618）的世界

哈囉，未來的電腦科學家！在本章「系統軟件 (System Software)」中，我們將揭開電腦運作背後的神秘面紗，一探其核心機制。

我們通常會想到各種應用程式（即應用軟件），但如果沒有強大的系統軟件在背後運籌帷幄，這些程式根本無法執行。在 A Level 階段，我們將深入探討作業系統 (Operating System, OS) 的機制，以及語言翻譯器 (Language Translators) 所使用的關鍵程序。

如果「分頁 (paging)」或「詞法分析 (lexical analysis)」聽起來很複雜，請不用擔心——我們將會運用簡單的類比來為你拆解，確保你能完全掌握這些考試必備的核心知識！

16.1 作業系統 (OS) 的用途

什麼是作業系統？

作業系統 (OS) 是管理所有電腦資源（包括 CPU、記憶體、檔案及周邊設備）的主程式。它充當了硬件與使用者/應用程式之間的橋樑。

OS 功能 1：極大化資源利用並隱藏複雜性

作業系統的首要任務是極大化資源的使用效率（例如 CPU 時間和記憶體空間）。

• 使用者介面 (User Interface)： 作業系統提供使用者介面（如 Windows 或 macOS），讓你透過簡單的圖示和選單與電腦互動。此介面隱藏了硬件底層的複雜性。
• 類比： 想像你在開車。你只需要使用方向盤和油門剎車（介面），而不需要了解引擎內部複雜的物理運作或齒輪如何嚙合（隱藏的硬件複雜性）。

OS 功能 2：處理程序管理 (多工處理)

當你同時開啟多個程式（例如：串流音樂、撰寫論文以及執行計算）時，作業系統會透過處理程序管理 (process management) 來協調這些同時進行的任務。

處理程序 (process) 其實就是指目前正在執行的程式。作業系統利用多工處理 (multi-tasking) 讓所有程序看起來像是在同時執行，但實際上 CPU 是以極高的速度在這些程序之間快速切換。

處理程序狀態

一個處理程序通常處於以下三種基本狀態之一：

1. 執行中 (Running)： 處理程序目前正在 CPU 上執行指令。（每個 CPU 核心在任何瞬間只能有一個處理程序在真正執行）。
2. 就緒 (Ready)： 處理程序已準備好執行，但正在等待 CPU 可用。
3. 封鎖 (Blocked)： 處理程序無法繼續，因為它正在等待外部事件發生（例如：等待鍵盤輸入或從硬碟讀取資料）。

小技巧： 記住 R-R-B (Running, Ready, Blocked)。

排程 (Scheduling) 的必要性

為了管理哪個程序可以優先使用 CPU，作業系統會使用排程器 (scheduler) 和排程常式 (scheduling routines)。排程的目標通常是極大化輸送量 (throughput)、確保公平性以及減少回應時間。

你需要了解不同排程常式的功能與優點：

• 循環排程 (Round Robin, RR)： 每個處理程序在 CPU 上獲得一個固定的短時間片段（時間片 quantum）。如果時間片用完，該程序就會被移到佇列末端。
  • 優點： 對互動式使用者而言，具備極佳的公平性和回應時間。
• 最短作業優先 (Shortest Job First, SJF)： 預計執行時間最短的程序會被優先執行。
  • 優點： 極大化輸送量（能以最快速度完成最多工作）。
• 先來先服務 (First Come First Served, FCFS)： 先要求 CPU 的程序會優先獲得處理。
  • 優點： 易於實作；非常公平（沒有飢餓問題）。
• 最短剩餘時間 (Shortest Remaining Time, SRT)： SJF 的搶佔式版本。如果有新工作到達，且其總時間比目前執行中的剩餘時間短，新工作會接管 CPU。
  • 優點： 比 SJF 具有更好的輸送量。

OS 功能 3：核心與中斷

核心 (Kernel) 是作業系統的核心組件。當電腦開機時，它會被優先載入，並處理最關鍵的底層任務，例如管理記憶體和處理中斷。

核心充當中斷處理器 (interrupt handler)。中斷 (interrupt) 是一種傳送給 CPU 的訊號，會暫時停止目前執行的處理程序，以便 CPU 處理高優先級事件（例如磁碟錯誤、I/O 完成或計時器訊號）。

• 當中斷發生時，核心會儲存目前處理程序的狀態（使用暫存器，如 PC 和 ACC）。
• 核心識別中斷類型。
• 執行相應的中斷服務常式 (Interrupt Service Routine, ISR)。
• ISR 完成後，核心會恢復原始處理程序的狀態，讓程序從中斷處繼續執行。

OS 功能 4：虛擬記憶體、分頁與分段

虛擬記憶體 (Virtual Memory) 是一種技術，作業系統利用次級儲存裝置（硬碟）來模擬額外的 RAM，從而允許執行大於實體 RAM 容量的程式。

作業系統用來管理記憶體（特別是虛擬記憶體）的兩種主要方法是分頁 (Paging) 和分段 (Segmentation)：

分頁 (Paging)

• 概念： 主記憶體 (RAM) 被劃分為固定大小的區塊，稱為頁框 (page frames)。程式則被劃分為固定大小的區塊，稱為頁 (pages)。
• 當程式需要記憶體時，頁面會在硬碟和 RAM 之間進行交換。

分段 (Segmentation)

• 概念： 程式被劃分為邏輯上、大小不一的區塊，稱為段 (segments)（例如：主程式碼段、資料段、副程式段）。
• 段會在硬碟和 RAM 之間進行交換。
• 差異： 頁面是實體且固定大小的；段則是邏輯且大小可變的。

磁碟顛簸 (Disk Thrashing)

這是一個關鍵術語！如果作業系統花費在 RAM 和硬碟之間交換頁/段的時間，多過於執行程式指令的時間，這種情況稱為磁碟顛簸 (disk thrashing)。

• 結果： 系統效能急劇下降，因為 CPU 不斷在等待較慢的磁碟存取。
• 頁面如何替換： 若作業系統需要空間放入新頁面，它必須替換掉現有的頁面，通常會選擇最近最少使用的頁面（Least Recently Used, LRU），以避免將經常需要的頁面交換出去。

16.2 翻譯軟件

原始碼（由人類以高階語言如 Python 編寫）必須轉換為機器碼 (machine code)（二進制指令），CPU 才能執行。這正是翻譯軟件的工作。

回顧：組譯器、編譯器與直譯器

• 組譯器 (Assembler)： 將組合語言 (assembly language)（低階、人類可讀的指令）轉換為機器碼。
• 編譯器 (Compiler)： 在執行之前將整個高階程式轉換為機器碼。產生一個可執行檔。（AS Level 內容，但這是必備基礎）。
• 直譯器 (Interpreter)： 逐行翻譯並執行高階程式。它*不會*產生獨立的翻譯版本。

你知道嗎？ 像 Java（控制台模式）等語言使用了混合方式：它們先被編譯成中間位元組碼 (bytecode)，然後再由 Java 虛擬機 (JVM) 進行直譯。這就是為什麼有些程式被描述為部分編譯、部分直譯的原因。

編譯過程：四個階段 (A-Level 深度)

當程式進行編譯時，會經歷幾個不同的階段，以確保程式的正確性與效率。

階段 1：詞法分析 (Lexical Analysis) - 掃描器

• 目的： 將原始碼拆解成有意義的單元，稱為標記 (tokens)。
• 移除註解和空白字元。
• 識別關鍵字（如 IF, WHILE）、識別字（變數名稱）、常數和運算子。
• 標記會儲存在符號表 (symbol table) 中。
• 類比： 閱讀一句話並識別出每個詞彙，並以空格將它們分隔開來。

階段 2：語法分析 (Syntax Analysis) - 解析器

• 目的： 根據語言的語法規則檢查程式結構。
• 利用階段 1 產生的標記來建立剖析樹 (parse tree)（或抽象語法樹）。
• 如果發現錯誤（例如缺少分號或括號），編譯器會停止並報告語法錯誤 (syntax error)。
• 類比： 檢查句子的語法結構是否正確（例如：「貓坐在墊子上」正確；「坐在貓墊子」則為語法錯誤）。

階段 3：程式碼生成 (Code Generation)

• 目的： 若語法正確，編譯器會將剖析樹轉換為中間程式碼，最後轉換為目標機器碼（或組合語言）。

階段 4：最佳化 (Optimisation)

• 目的： 檢查產生的機器碼，使其執行速度更快或佔用更少記憶體（即提升效率）。
• 範例： 如果某個變數被賦值後從未被使用，最佳化器可能會刪除該行程式碼。

表達語言語法

為了進行語法分析，編譯器需要精確的規則來描述有效的程式長什麼樣子。這些規則就是語言的語法，並透過正式方法來表示：

巴科斯範式 (Backus-Naur Form, BNF) 記號法

BNF 是一種後設語言（用來描述另一種語言的語言），用於表達程式語言的語法。

• 它使用如 ::=（定義為）、|（或）以及角括號 < >（用於非終端符號，即需要進一步定義的元素）。
• 範例： <digit> ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

語法圖 (Syntax Diagrams)

語法圖是語法規則的圖形表示。它們就像流程圖一樣，展示了建構語言有效結構（如有效的識別字或迴圈結構）時必須遵循的路徑。

• 優點： 對人類而言，它們通常比 BNF 更易於閱讀和遵循。

逆波蘭表示法 (Reverse Polish Notation, RPN)

在評估數學運算式時，電腦傾向使用一種無需括號和運算子優先級（即 BODMAS/BIDMAS 規則）的方法。這種方法就是逆波蘭表示法 (RPN)，也稱為後序表示法 (Postfix notation)。

在 RPN 中，運算子位於運算元（數字）之後。

• 標準 (中序 Infix)： \(10 + 5\)
• RPN (後序 Postfix)： \(10 \ 5 \ +\)

RPN 如何評估 (使用堆疊 Stack)：

RPN 運算式是使用堆疊 (stack)（一種後進先出 LIFO 的資料結構）來進行評估。

1. 從左到右掃描運算式。
2. 如果項目是數字（運算元），將其壓入堆疊。
3. 如果項目是運算子，從堆疊中彈出所需數量的運算元（通常為兩個），進行運算，並將結果壓回堆疊中。

範例演練： 評估 \(5 \ 3 \ + \ 2 \times\)

步驟 1： 壓入 5。堆疊：[5]
步驟 2： 壓入 3。堆疊：[5, 3]
步驟 3： 運算子 '+'。彈出 3 和 5。計算 \(5 + 3 = 8\)。壓入 8。堆疊：[8]
步驟 4： 壓入 2。堆疊：[8, 2]
步驟 5： 運算子 '\(\times\)'。彈出 2 和 8。計算 \(8 \times 2 = 16\)。壓入 16。堆疊：[16]
結果： 16

優點： 運算式完全按照閱讀順序進行評估，這簡化了編譯器內部計算所需的程式邏輯。