計算機與程式設計初體驗
作業系統
講師：陳琨 (K. Chen)
kchen@csie.org
4-1 作業系統簡介
• 電腦系統：硬體、作業系統、應用軟體、使用者
• 作業系統：負責管理電腦裡的硬體及週邊設備，扮演 介於使用者與電腦硬體的中間人
作業系統的主要工作
• 中央處理器管理
– 把處理器有效地安排給各個程序使用
• 記憶體管理
– 妥善分配記憶體給各個程序使用
• 檔案管理
– 讓使用者安全存取及控制檔案
• 週邊設備管理
– 管理各項週邊系統，提供簡易使用者介面程式
• 程序管理
– 依據程序控制表安排資源
作業系統的演進:主機型系統
• 手動操作階段
– 使用者必須熟悉硬體操作，運作麻煩並且容易出錯
• 批次系統
– 把相同或相似的工作集合成為一整批(batched)
– 各個作業之間的轉接由程式自動操作，縮短手動操作緩 慢所造成的CPU等待時間
– 簡單的批次系統記憶體配置
作業系統的演進:主機型系統(cont)
• 多元程式規劃系統
– 利用多元程式規劃增加CPU使用率
– 程序的狀態：
• 新產生：程序正在產生中
• 執行：程序得到資源正在執行
• 等待：程序等待某個事件發生
• 就緒：程序一切已準備就緒
• 結束：程序已完成
程序狀態關係圖
處理器排班
作業系統的演進:主機型系統(cont)
• 分時系統
– 採用時間觸發，CPU輪流計算各個程序，時間一到就把 CPU交給下一個程序使用
– 分時系統的特點：
• 同時性：可同時有若干個使用者連結到同一計算機 進行運算
• 獨立性：不同使用者之間不會相互干擾
• 即時性：每一個使用者都可以即時得到計算機的回 應
作業系統的演進:個人電腦系統
• 個人電腦設計方向:增進使用者操作方便，
並且提升CPU的回應速度避免使用者等待
• 個人電腦系統的演進:
– 早期：DOS文字指令
– 第一個圖形化介面：Mac IS – 最多人使用：Windows
– 免付費作業系統：Linux
作業系統的演進:多處理器系統
• 一個以上的處理器，彼此之間緊密地溝通合作，共享 資源,共用時脈
• 多處理器系統可以增進效能,也因共用週邊設備, 共享 電腦資源,所以較省空間
• 多處理器系統中,多個應用程式共用記憶體等資源
• 多處理器系統擁有較好的容錯能力
作業系統的演進:分散式系統
• 每一台電腦是各自獨立的，並不共享資源或時脈，
彼此之間依靠網路傳輸交換資料
• 分散式系統的應用：Web Service
作業系統的演進:即時系統
• 即時系統：計算機要能即時回應外部事件的要 求，於規定的時間內完成對該事件的處理，並 且還能控制所有的即時設備和工作能夠協調一 致地執行
• 即時系統的重點：
– 即時時鐘管理：定時工作或延長工作以利與其他工 作協調
– 過載保護：發生過載時，使用緩衝區來應急
– 高度可靠性：計算機發生問題時，系統有容錯能力
能繼續運作
作業系統的演進:手持系統
• 手持系統：個人數位助理,較手提式電腦輕薄短小
• 手持式系統的特點：
– 記憶體容量小：必須有較好的記憶體管理方式
– 處理器運算緩慢：為使電池使用時間較長，故運算速度不 可能太快，因此必須巧妙設計作業系統或應用程式
– 顯示螢幕小：使用者介面設計必須格外留意好讓使用者看 到較多畫面
4-2 CPU排班
• CPU 排班：保持隨時都有一個程序在執行，以 提高CPU的使用率
• CPU 排班的五個決策時間點：
– 程序新產生時
– 程序從執行狀態變等待狀態 ( 譬如有I/O要求)
– 程序從執行狀態變就緒狀態 ( 譬如有中斷發生時)
– 程序從等待狀態變就緒狀態 ( 譬如I/O要求得到回應)
– 程序終止結束
五個必須CPU排班的時間點
評量CPU排班演算法好壞的標準
• CPU 使用率：使用率越高表示演算法越好
• 產能：算計單位時間內完成的程序數目，但若 是執行大程序則可能導致產能比執行很多小程 序小
• 回復時間：程序經歷多少時間才完成其計算
• 等待時間：一個程序花多少時間在就緒佇列中
等待
CPU排班 (cont)
• 不可搶先排班 (nonpreemptive)
– 確保已經享有CPU資源的程序能夠一直執行，
不管其他程序的狀態，直到享有CPU資源的程 序自己跳到非執行的狀態才進行排班
• 可搶先排班(preemptive)
– 時時刻刻注意程序的狀態，如果有程序進入就
緒狀態則進行排班，比較正在使用CPU的程序
與進入就緒狀態的程序的優先順序，優先順序
高者可先使用CPU
CPU排班演算法:先到先處理
• 先到先處理:採用先進先出的方式，服務先到的程序
• 舉例：
• 先到先處理之甘特圖：
先到先處理 (cont)
• 各程序等待時間：
若抵達先後順序改變如下：
先到先處理 (cont)
• 則甘特圖如下所示：
• 平均等待時間如下所示：
最短工作先處理
• 舉例：
• 甘特圖如下所示：
最短工作先處理 (cont)
• 各程序的等待時間：
最短工作先處理 (cont)
• 不同的抵達順序及其平均等待時間：
優先權排班
• 優先權如下：
• 甘特圖如下：
依序循環排班
• 依序循環排班方式在使用時，先預設好經
過多少時間CPU就該切換執行下一個程序，
也就是設定好間隔時間(time slice)。所有的
程序放在新進先出的佇列裡面，首先CPU
排班從佇列裡挑第一個程序執行，然後開
始進行倒數，時間到的時候就得讓CPU處
理佇列裡下一個程序。
依序循環排班 (cont)
– 範例：
– 甘特圖：
4-3記憶體管理
• 記憶體管理：
– 記憶體管理：把記憶體分割成各個區塊，以供各程序或 各使用者使用
– 記憶體位址定位：把程序所使用的邏輯位址與記憶體的 實際位址作映射
– 記憶體保護與共享：程序之間所使用的記憶體不能相互 干擾，可是作業系統的部分要讓各個程序共享
單一連續記憶體配置方式
• 記憶體被分成三個區塊
：作業系統存放、應用
程式佔用、未使用區塊
單一連續記憶體配置(cont)
• 利用界線暫存器和基底暫存器來提供記憶體保護
動態載入
• 動態載入是指常式(routine)只有在被呼叫的 時候才會被載入，平常存放在磁碟空間內，
執行時若發現所需的常式不在記憶體內則 動態載入
• 動態載入可以提供較大的彈性
覆蓋
• 主要的部分會一直存放在記憶體中，在特定時候才需 要用到的指令或資料，則只有用到時才放進記憶體中，
其他時候則被覆蓋掉
• 使用覆蓋的範例：編譯器
置換
• 利用磁碟當作備分的儲存體，用以置換兩個程序
置換 (cont)
• 洋蔥皮演算法
附註：Paging system是虛擬記憶體管理的重要機制，它將一個 程序的記憶體需求分割成大小相同的pages，以便更有效管理。
檔案系統
• 檔案系統負責存取和管理檔案資料
• 檔案系統的重要屬性：
– 名稱：讓使用者辨別不同的檔案
– 識別符號：獨一無二的標籤,讓作業系統辨別 檔案
– 型態：顯示檔案的類型
– 位置：標示出檔案所在的磁碟及目錄位置 – 大小：顯示檔案目前的大小
– 時間日期：顯示檔案建立日期、修改日期、最
後開啟日期等
檔案的基本操作
• 檔案的基本操作
– 建立檔案 – 寫入檔案 – 讀取檔案 – 刪除檔案
• 目錄結構必須支援的功能
– 搜尋 – 建檔
– 刪除檔名
– 更改檔名
目錄結構:單層目錄
• 檔案皆在同一層目錄
• 同一個目錄下不能有兩個同樣檔名的檔案
目錄結構:雙層目錄
• 每個使用者的目錄結構相似
• 開啟檔案時，只會搜尋使用者自己的目錄
路徑
• 絕對路徑：root/user1/homework/hw1.doc
• 相對路徑：/homework/hw1.doc
4-5 熱門作業系統介紹
• Linux
– 創始人托瓦茲認為軟體免費的比較好
– 開放原始碼，透過大家發現漏洞，一起改善系統
• Linux的特色：
– 多工、多用戶作系統 – 支援數十種檔系統格式 – 提供了先進的網路支援
– 採用先進的記憶體管理機制，更加有效地利用實體記 憶體
– 開放原始碼，用戶可以自己對系統進行改進
Android
• 主要用於行動設備 的Android作業系 統，是一個以
Linux 為基礎的半 開放原始碼作業系 統，它由Google 成立的Open
Handset Alliance
（OHA，開放手
機聯盟）持續領導
與開發中。
熱門作業系統介紹 - Mac
• 第一個圖形化的作業系統
• 優異的使用者介面
• 漂亮的外型設計
• 針對影像圖片等工具有較好的支援程式
iOS
