第二节作业系统概述Operating Systems Overview.ppt

第二章 作業系統概述Operating Systems Overview 介紹作業系統的歷史、原理 作業系統的目標和功能，如何由最初的批次系統(batch system)演進到複雜的多模式(multi-mode)與多使用者(multi-user) 。 2.1 作業系統目標與功能 作業系統的角色： 控制應用程式執行的程式。 使用者與電腦硬體之間的介面。 作業系統的目標 方便性(convenience)：使電腦更方便使用。 效率(efficiency)：將電腦硬體資源做有效的利用。 演進能力(ability to evolve)：測試與引進新功能不影響服務品質。 作業系統作為使用者與電腦之間的介面 程式開發(program development) 程式執行(program execution) 存取輸出入裝置 (access to I/O devices) 控制檔案存取(controlled access to files) 系統存取(system access) 錯誤偵測與回應(error detection and response) 帳務(accounting) 作業系統作為資源管理者 作業系統與一般電腦軟體一樣，都是由處理器執行的程式。 作業系統常讓出控制權，並且需要重新取得控制權。 核心(kernel, nucleus)：包含作業系統最常被使用的函式。 簡化作業系統的演進 作業系統會不斷的隨時間演進，原因包括： 硬體升級與新硬體的產生：例如，分頁(paging)硬體與分頁機制的發展。 新服務：例如，視窗顯示。 修正：發現錯誤、然後修正。修正也可能造成新的錯誤。 2.2 作業系統的演進 循序處理(serial processing) 1940末期~1950中期 程式設計師直接面對電腦硬體，沒有作業系統存在。 電腦硬體及周邊：主機、顯示燈、輸入裝置、印表機、讀卡機。 主要問題： 排程(scheduling)：使用簽名表預約使用的時間。 設定時間(setup time)：連串的設定動作，浪費時間。 簡單批次系統(simple batch systems)1950中期~1960初期 使用監督程式(monitor)軟體。 使用者不再需要直接存取機器，只要將卡片或磁帶上的工作委託給電腦操作員來處理。 電腦操作員將整批工作依序放在一起，並將全部的批次工作放在監督程式使用的輸入裝置上。 每個工作結束後，監督程式會自動開始載入下一個工作。 監督程式負責排程，利用工作控制語言(Job Control Language, JCL)： $JOB $FTN Fortran instructions $LOAD $RUN Data $END 簡單批次系統 (續) 監督程式期盼的硬體功能： 記憶體保護：使用者程式不能改變監督程式所在的記憶體內容。 計時器：阻止單一工作獨占整個系統。 特權指令：某些機器層級的指令被指定為特權指令，且只能由監督程式執行。 中斷：此功能使得讓出或取得控制權時更有彈性。 多重程式批次系統(multiprogrammed batch systems) 即使用簡單批次作業，處理器仍然時常處於閒置狀態，因為I/O裝置的速度比處理器慢很多。 假使有足夠記憶體來儲存二個使用者程式，當一個工作正在等待I/O時，另一個不在等待I/O的工作便可以執行。 我們可以進一步增加記憶體，容納更多程式，交替執行他們，如此稱為多重程式(multiprogramming)或多工(multitasking)。 依序執行：JOB1, JOB2, JOB3 執行時間：5 分鐘, 15 分鐘, 10 分鐘. 總執行時間：30 分鐘 多重程式使用率、硬體特性 上表由圖2.6分別整理得出。 硬體特性：I/O中斷、DMA、記憶體管理、排程演算法 (多個程式放在記憶體)。 分時系統(Time-Sharing Systems) 因為多重程式的使用，批次處理可以相當有效率。然而，許多工作需要讓使用者與電腦互動。 多重程式也可用來處理多個交談式工作，稱為“分時”—處理器的處理時間被許多使用者所分享。 1961年CTSS系統：系統時鐘每0.2秒發出一次中斷請求，作業系統重新取得控制權。 2.3 主要的成就 處理程序(Process) 記憶體管理(Memory Management) 資訊的保護與安全(Information protection and security) 排程與資源管理(Scheduling and resource management) 系統結構(System structure) 處理程序(Process) Multics (1960)設計人員最早使用Process這個字眼 有時比工作(Job)更普遍被使用 處理程序有許多