1、作業系統(Operating System),主講人:劉政雄 副教授(大華資管系)參考資料:蔡郁彬,作業系統(第二版),學貫書局,目錄,第一章作業系統概論第二章電腦與作業系統結構第三章作業系統的服務第四章行程與執行緒第五章CPU排班,第一章作業系統概論,教學目標,作業系統的目的作業系統的歷史演進 作業系統的分類,作業系統的目的,提供使用者能夠執行程式的環境，以達到方便使用與最有效率的目標。 分配各項電腦的資源來解決問題。其中分配的過程必須公正而且盡可能有效率。 當成控制程式來提供兩個主要的服務功能：(1) 監督使用者程式的執行狀況，防止錯誤與不正確的使用電腦，以及(2) 管理操作的狀況與控制周
2、邊裝置的輸入與輸出。,何謂作業系統,由上往下看的觀點 可視為一個擴充機器(extended machine) 由下往上看的觀點 作為資源管理者(resource manager)的角色 作業系統是一種資源管理者 (resource allocator) 和常駐控制程式 (control program),第一代電腦,西元1945-1955年真空管建構 (p1-5,圖1-2)無作業系統的存在 代表系統：ENIAC(p1-5,圖1-2),第二代電腦,西元1955-1965年電晶體建置(p1-6,圖1-3)出現程式語言的觀念 代表系統：TX-0 (p1-6,圖1-3),第三代電腦,西元1965-19
3、80 年積體電路建置(p1-7,圖1-4)代表系統：IBM System/360(p1-7,圖1-4),IBM System/360,第四代電腦,西元1980-1990 年大型積體電路建置(p1-8,圖1-5)代表系統：個人電腦(p1-8,圖1-5),後PC時代電腦,圖片來源：資策會MIC,作業系統的分類,基本單節點系統多節點系統特殊應用系統,基本單節點系統,批次系統多重程式系統分時系統桌上型電腦作業系統平行系統,多節點系統,網路作業系統分散式系統叢集式系統,特殊應用系統,即時嵌入式作業系統多媒體系統手持式系統,小結,設計策略 硬體掌控性 分散式處理 操作環境,第二章 電腦與作業系統結構,教學
4、目標,電腦與作業系統的操作 電腦系統的成員 中斷系統設計 保護機制設計,電腦系統的運作一般電腦系統的架構 (p5-5,圖2-2) Intel Pentium系統的架構 (2-6,圖2-3),電腦系統的成員,輸入與輸出 主記憶體 快取記憶體 輔助記憶體 磁碟 其他輔助記憶儲存裝置,從磁碟載入資料到暫存器所經過的記憶體 (p2-7,圖2- 4)階層式資料載入與儲存架構(p2-10,圖2-5) 硬碟機內部的構造 (2-12,圖2-6),周邊I/O裝置的資料傳遞,輪詢輸入與輸出的中斷 同步I/O中斷 非同步I/O中斷 直接記憶體存取架構,I/O中斷的種類 (p2-19,圖2-7),裝置狀態表,保護機制
5、設計,硬體保護架構 使用者模式與核心模式 輸入與輸出保護 記憶體保護 執行權保護,模式切換 (p2-23,圖2-9)定義記憶體範圍的方式(p2-25,圖2 -10 )檢查記憶體範圍的方式 (p2-26,圖2-11),小結,周邊I/O裝置的資料傳遞方式，可以採用輪詢、中斷驅動、或是DMA的方式來傳遞資料 電腦所能夠執行的工作，都必須先存放在主記憶體中 確保電腦系統的正確執行，不受惡意或是未經除錯的使用者軟體干擾，需要一些硬體的輔助才能達到,第三章 作業系統的服務,教學目標,系統服務項目 系統呼叫 系統程式 使用者介面 系統結構 系統設計和實現,系統服務項目,一般系統服務 執行程式輸入與輸出作業除
6、錯以及錯誤處理檔案系統通信錯誤偵測 其他服務功能 資源的分配與紀錄保護系統網路功能服務品質（QoS）保證,區域網路架構(p3-6,圖3-1)廣域網路架構(p3-7,圖3-2),系統呼叫,行程管理 檔案管理 記憶體管理 輔助記憶體管理裝置系統管理 通信管理 資訊維護,系統呼叫範例函式,count = read（fd, ,系統呼叫函式名稱,回傳值,參數,參數傳遞流程 (p3-11,圖3-3)系統呼叫流程(p3-12,圖3-3) 檔案系統的樹狀分佈 (p3-17,圖3-5),訊息傳遞與共享記憶體,系統程式,公用程式 程式語言 套裝程式,使用者介面,外殼 命令列模式介面 圖形化使用者介面,MVC模式
7、(p3-27,圖3-7)事件驅動模式之GUI系統 (p3-28,圖3-8),系統結構,無結構的作業系統 集成式系統 分層系統 虛擬機器 IBM VM/370 Java虛擬機器 主從式模型系統,MS-DOS的呼叫層次設計 (p3-30,圖3-9)集成式系統架構 (p3-31,圖3-11),UNIX系統架構,THE系統架構,一般系統與虛擬機器系統架構的差異,Java虛擬機器系統架構,Java程式的運作流程 (p3-39,圖3-15),主從式系統模型,分散式系統上的主從式模型,系統設計和實現,定義系統目標與規格 將些關鍵性 (critical) 伺服器行程在核心模式執行，以直接存取所有的硬體，但與其
8、他行程之間的連繫仍透過訊息傳遞的機制在核心中建立最少的機制(mechanism)，但是將策略(policy)的決定留給使用者空間的伺服器決定 實現系統 組合語言、C或是C+語言 進行效能的調校,小結,作業系統提供了許多的系統服務與呼叫 完成系統服務定義之後，需建立系統的結構 需要使用結構化的方式來設計，將系統規劃成一系列的層級，並且由各層級負責獨立的工作，減少系統除錯的時間，目前許多作業系統紛紛採用這樣的方式來設計。 虛擬機器則是另外一種層級建立的方式,第四章行程與執行緒,行程與程式,程式代表的是一個被的觀念，它只是一堆程式碼，需要使用者明確地去要求執行才能有所作用 行程則代表了一個主動的觀念
9、，它可以主動的執行其所被賦予的任務,行程的狀態,行程控制表（PCB） (p4-8,圖4-4) 行程的觀點與CPU的觀點 (p4-10,圖4-5),本文切換（Context Switch）,行程樹,行程的產生,行程的結束,理由該行程的父行程呼叫行程結束的系統呼叫，以結束該行程的執行。該行程已經執行完畢。 分類串接式結束非串接式結束,執行緒的概念,執行緒的優點,加快反應速度資源分享經濟性本文切換產生與結束執行緒,執行緒的層級,使用者層級核心層級,兩個層級間執行緒的對應,1:1對應模式N:1對應模式M:N對應模式,並行行程的分類,彼此之間都互相獨立，執行過程中不會受其他行程的影響，而各自完成自己的任
10、務彼此之間有合作關係，透過共用資源（如資料結構、訊號機制等）的使用，來互相溝通合作以共同完成某些任務，但是它們的執行結果常常會因為存取共用資源而彼此受到影響,行程間互相合作的好處,資訊分享提升運算效能模組化便利性,如何達到行程間互相合作的目的？,行程間的通訊（IPC）共用記憶體模式訊息傳遞模式,行程間通訊的模式,共用記憶體模式,潛在問題！,A和B兩行程同時用一台印表機做列印？同步機制,訊息傳遞模式,基本指令模式,send（訊息）to（目的地）receive（訊息）from（來源）,訊息傳遞模式的行為分類,單向與雙向直接與間接暫停式與非暫停式有緩衝區與無緩衝區可靠與不可靠對應模式,直接與間接,會
11、晤現象,等待確認通知,等待確認通知(2nd),對應模式,訊息傳遞的實作方式,信號（Signal）機制例如：kill（行程代碼，信號種類） 虛擬溝通管道例如：管線（pipe）、信箱（mailbox）、訊息佇列（message queue）和承接口（socket）等 輸入輸出裝置例如：檔案系統,信號之使用範例,虛擬溝通管道,訊息佇列之使用範例,小結,行程是作業系統內所有動作的核心，其基本狀態包括剛產生、就緒、執行中、等待以及結束等作業系統必須提供一些機制，用來動態產生一個新的行程和將它結束掉執行緒也是基本的執行單位，用來減少作業系統內的行程個數，以及增加整體系統的執行效率行程間要互相合作必須靠行程
12、間通訊（IPC）的機制，包括共用記憶體和訊息傳遞兩種模式,第五章CPU排班,排班程式,行程執行模式,CPU排班啟動的時機,準備就緒執行結束等待某個事件等待的事件發生CPU時間分量結束,分派程式,本文切換由核心模式切回使用者模式跳到該行程接下來要執行的程式碼，讓行程重新啟動,排班的準則,CPU使用率整體成效行程所需時間等待時間回應時間,應用範例,科學計算CPU使用率高的演算法 交談式系統回應時間短的演算法一般狀況平均,排班演算法,先來先做最短工作優先優先權循環式多層佇列多層回饋佇列,先來先做,行程A先到,行程C先到,最短工作優先,不可搶先,可搶先,優先權,為每個行程指定它的優先權選取下一個要被執行的行程時，是以當時具有最高優先權的行程為第一優先 可搶先 v.s.不可搶先 潛在問題飢餓可被用來模擬其他種類的排班演算法 例如：先來先做、後來先執行、最短工作優先,循環式(p5-19,圖5-10),循環式(2nd),循環式的問題,多層佇列,多層回饋佇列,多處理器系統之排班,目的理論上，多一個處理器就可以同時多執行一項工作，使系統的執行效能可以得到加倍的提昇 分類異質同質,
