作業系統簡介

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作業系統簡介作業系統簡介

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作業系統作業系統 (Operating System)(Operating System) 的目的的目的

1. 方便的人機介面命令列介面： Command line ，如 DOS 圖形化使用者介面： GUI (Graphic User Interface) ，

如 Windows XP ， Mac OS 等2. 有效的管理資源

1. Memory ：虛擬記憶體 (virtual memory)

2. Processor ：程序排程 (process scheduling)

3. Device ：死結 (dead lock)

4. Information ：檔案 (file)

5. Others ：載入 (loader) ，鏈結 (linker) ，庫存程式 (library) ，公用程式 (utility)

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計算機作業方式計算機作業方式

1. Batch( 批次 ) ：將程式及資料事先準備好 ( 一疊卡片，一個 .bat 檔 ) 交給電腦一次完成。適用於周期性，時效要求低的作業。如：聯考閱卷，

稅務申報等。2. Real Time( 即時 ) ：輸入資料後立即處理，並在

一定時限內產生輸出。 (Response time ≦ 時限 ) 用於 Special-Purpose 電腦系統，如飛機自動導航 / 駕

駛系統，證卷交易系統。 ( 事關人命，金錢交易 )

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計算機作業方式計算機作業方式3. On-Line( 線上作業 ) Off-Line( 離線作業 )

I/O 設備與主機有實體連線，能立即作 I/O 處理，為 Real time 的必要條件。

變化：分散式系統中，電腦透過網路，與系統取得連線。

4. Time-Sharing( 分時作業 ) Multiprogramming 的一種，各程式分配一段時間輪

流交替執行，為最普遍的執行方式 ( 公平，簡單，效果不錯 )

Multiprogramming ：電腦 Memory 內有 2 個以上互不相關的程式可同時被執行， CPU 交替執行之，使得 User 產生電腦專屬執行某一程式的錯覺。

由 OS 控制

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計算機作業方式計算機作業方式

5. Multiprogramming( 多工程式處理 )-1970’s 同時 (currently) 執行數個程式 ( 以軟體方式 ) ，各個

程式感覺是同時執行。6. Multiprocessing( 多元處理 )-1970’s

同時 (simultaneously) 執行數個程式 ( 以硬體方式 ) ，格個程式真正是同時執行。

7. Multitasking( 多工處理 )-1980’s 電腦 Memory 內有 2 個以上屬於同一程式的工作 (tas

k) 可被同時執行。 Task ：執行一個特定功能的一段程序 ( 副程式 )

8. Multithreading( 多序執行 )-1990’s 如 Java

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Virtual MemoryVirtual Memory 虛擬記憶體虛擬記憶體優點

1. 使 User 的程式不受實際 Memory 容量的限制。2. Memory 內部程式 / 資料的保護。3. Memory 內部資訊的共享 (sharing) 。

作法1. Demand Page( 分頁 ) ：以 Mem 的使用為主，將程式

/ 資料分成等量大小 ( 頁 ) ，沒有 fragment( 碎片 ) 。2. Demand Segment( 分段 ) ：以程式的保護為主，根據

程式性質，分成數個大小不同的區段 ( 段 ) ，有 fragment ( 碎片 ) 。

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Virtual MemoryVirtual Memory 虛擬記憶體虛擬記憶體 Page Fault 代換策略

1. FIFO (First In First Out) 先進先出，最直觀，效果差

2. LRU (Least Recently Used) 最近最久未用，合理

3. Optimal 最晚才會再用，最佳，理論上限

4. Random ：實際上使用

CPU Main Memory

Page frame

Page frame

Page frame

Page frame

HardDisk

Page 1

Page 2

Page 3

Page 4

Page 5

Page 6

Page 8

Page 9

Page 10

某段程式或一段資

料

例： CPU 需要順序 ( 頁參考順序 ) ： 1,3,6,9,10,4,7…

Page 1

Page 3

Page 6

Page 9？ Page Fault

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Page Fault Page Fault 代換策略實作代換策略實作 FIFO( 先進先出 )

頁參考順序： 0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0

Page frame=3

參考順序 0 1 2 3 4 2 1 5 6 7 2 3 7 4 5 6 0

PF 0

PF 1

PF2

Page Fault ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

0 0 0 0 3 3 3 3 5 5 5 2 2 2 2 5 5

1 1 1 1 4 4 4 4 6 6 6 3 3 3 3 6

2 2 2 2 2 1 1 1 7 7 7 7 4 4 4

共發生 page fault ( ＊ )= 次

3

4

＊＊＊

1

5

6

7

2

3

4

5

6

0

15

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自我練習自我練習 FIFO( 先進先出 )

頁參考順序： 1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0

Page frame=4

參考順序

PF 0

PF 1

PF 2

PF 3

Fault


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0

Page Fault Page Fault 代換策略實作代換策略實作 LRU( 最近最久未用 ) Least Recently Used

頁參考順序： 0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0 Page frame=3

參考順序 0 1 2 3 4 2 1 5 6 7 2 3 7 4 5 6 0

PF 0

PF 1

PF2

Page Fault ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

0


3

＊＊＊

15

0 3 3 3 1 1 1 7 7 7 7 7 7 60

1 1 1 4 4 4 5 5 5 2 2 2 4 4 41

2 2 2 2 2 2 6 6 6 3 3 3 5 52

4

1

5

6

7

2

3

4

5

6

0

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自我練習自我練習 LRU( 最近最久未用 ) Least Recently Used

頁參考順序： 1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0 Page frame=4

參考順序

PF 0

PF 1

PF 2

PF 3

Fault


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Page Fault Page Fault 代換策略實作代換策略實作 Optimal( 取代最晚才會再用的 ) 效果最好理論上限，但

不可行頁參考順序： 0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0 Page frame=3

參考順序 0 1 2 3 4 2 1 5 6 7 2 3 7 4 5 6 0

PF 0

PF 1

PF2

Page Fault ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

0

共發生 page fault ( ＊ )= 次12

0 0 0 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5

1 1 1 1 1 1 1 5 6 7 7 7 7 7 7 6

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3

3 4

5 6 7

3

5

6

0

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自我練習自我練習 Optimal( 取代最晚才會再用的 )

頁參考順序： 1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0 Page frame=4

參考順序

PF 0

PF 1

PF 2

PF 3

Fault


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Process Management (Process Management ( 程序管理程序管理 ))

Process ( 程序 ) 一段執行中的程式碼 (a program in execution)

Process 的 STD (State Transition Diagram) 狀態轉換圖

User1 submit Job1

User2 submit Job2

Usern submit Jobn

… Jn…J3,J2,J1

Job Queue

Ready

Pn…P3,P2,P1

Ready Queue

RUN

WAIT

Time out

等 I/O 完成

I/O 已完成

MemoryDisk

： Long-term scheduler ( 長程排程器 )

Complete

： Short-term scheduler ( 短程排程器 ) ： Medium-term scheduler ( 中程排程器 )

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Process Scheduler ( 程序排程器 ) 的目標 System Balance ( 系統平衡 )

程序大致可分為1. I/O bound ：大多數時間在做 I/O ，如 Word 。2. CPU bound ：大多數時間在跑 CPU ，如 TV game 。

Scheduler( 排程器 ) 為使 CPU ， I/O 同時忙碌，故以 I/O bound process( 程序 ) 為優先選擇。

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Process 的排程策略1. Non-Preemptive( 不可插隊式 )

1. FCFS (First Come First Serve) ：先來先做2. SJF (Shortest Job First) ：最短先做

2. Preemptive( 可插隊式 ) 3. RR (Round-Robin) ：啄木鳥 /Time-sharing ，適用於一般電

腦。4. SRTF (Shortest Remaining Time First) ：最短剩餘時間優先。

解釋名詞： Average Turnaround Time ：平均迴轉時間

程序從進入 ready queue 後，到全部完成的平均時間。 Average Waiting Time ：平均等待時間

程序從進入 ready queue 後，到全部完成的平均等待時間。

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Process Scheduling Process Scheduling 程序排程程序排程 Non-Preemptive ( 不可插隊式 )

1. FCFS 先來先做 (First Come First Serve)

Process # Burst Time Arrived Time

1 10 0

2 4 3

3 5 5

4 4 7

p4

p3

P2

p1

30 5 7 10 14 19 23

Average Waiting Time

Average Turnaround Time

●

●

●

●

代表 process 已經進入 ready queue 中等待，但尚未執行

代表 process 進入 CPU 中開始執行

=(0+(10-3)+(14-5)+(19-7))/4=7#

=(10+(14-3)+(19-5)+(23-7))/4=12.75#

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自我練習自我練習 Non-Preemptive ( 不可插隊式 )

FCFS 先來先做 (First Come First Serve)


1 10 0

2 6 3

3 3 5

4 5 7

p4

p3

P2

p1

Average Waiting Time=？ Average Turnaround Time=？

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Process Scheduling Process Scheduling 程序排程程序排程 Non-Preemptive ( 不可插隊式 )

SJF 最短先做 (Shortest Job First)


1 10 0

2 4 3

3 5 5

4 4 7

p4

p3

P2

p1

30 5 7 10 14 18 23


=(0+(10-3)+(18-5)+(14-7))/4=6.75#


=(10+(14-3)+(23-5)+(18-7))/4=12.5#

●

●

●

●

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自我練習自我練習 Non-Preemptive ( 不可插隊式 )

SJF 最短先做 (Shortest Job First)


1 10 0

2 6 3

3 3 5

4 5 7

p4

p3

P2

p1


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Process Scheduling Process Scheduling 程序排程程序排程 Preemptive ( 可插隊式 )

SRTF 剩餘最短時間先做 (Shortest Remaining Time First)


1 10 0

2 4 3

3 5 5

4 4 7

p4

p3

P2

p1

30 5 7 11 16 23


=((16-3)+0+(11-5)+0)/4=4.75#


=((23-0)+(7-3)+(16-5)+(11-7))/4=10.5#

●

●

●

●

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自我練習自我練習 Preemptive ( 可插隊式 )

SRTF 剩餘最短時間先做 (Shortest Remaining Time First)


1 10 0

2 6 3

3 3 5

4 5 7

p4

p3

P2

p1


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Process Scheduling Process Scheduling 程序排程程序排程 Preemptive ( 可插隊式 )

RR 啄木鳥 (Round-robin)


1 10 0

2 4 3

3 5 5

4 4 7

p4

p3

P2

p1

30 5 7 10 14 23


=(12+(1+4)+(3+6+4)+(5+4))/4=9.75#


=((22+(12-3)+(23-5)+(20-7))/4=15.5#

●

●

●

●

Time slice( 時間間隔 )=2

2 4 6 8 12 18 222016

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自我練習自我練習 Preemptive ( 可插隊式 )

RR 啄木鳥 (Round-robin)


1 10 0

2 6 3

3 3 5

4 5 7

p4

p3

P2

p1


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Device Management (Device Management ( 設備管理設備管理 ))

Device ( 設備 ) 分為1. Dedicated( 專屬 ) ：如 printer, tape2. Shared( 共用 ) ：如 Memory, Disk

Race Condition( 競賽現象 ) 當 O.S 安排程式使用資源的次序不當所產生的錯誤現

象。 ( 將專屬的 Device 當成共用的 Device 使用，就會產生 Race

Condition) 如：將一台 printer 當成共用 Device ， 2 個以上的程式同時要

求列印時，會產生什麼狀況？解決之道：

1. 程式中加入“要求 printer” 及“釋放”指令2. 對專屬 Device 做 Mutual Exclusion( 互相排斥 ) 控制

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Device Management (Device Management ( 設備管理設備管理 ))

Process 1

要求 printer

要求 tape

釋放 tape

釋放 printer

Process 2

要求 tape

要求 printer

釋放 tape

釋放 printer

P1 P2

printer

tape

等

等

Dead lock ( 死結 )

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Dead lock (Dead lock ( 死結死結 ))

Dead lock 發生之四大必要條件 ( 缺一不可 )1. Mutual Exclusion ( 互斥 )2. Hold & Wait ( 持有並等待 )3. Non-preemptive ( 不可強佔 )4. Circuit Waiting ( 循環等待 )

Dead lock 的解決1. Prevention ( 預防 ) 釜底抽薪破除任一必要條件，使

Dead lock 不可能發生。2. Avoidance ( 避免 ) 步步為營 O.S 分配資源時，先判

斷是否導致 Dead lock 發生。3. Detection & Recovery ( 偵測及復原 ) 見機行事 Dea

d lock 發生後，犧牲某一方釋放資源，打開 Dead lock 。4. 鴕鳥法不解決關電源重新開機。

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其他系統之管理其他系統之管理程式在執行前所需要的步驟：

Source code 程式碼

Object code

Execution code

CPU

Compiler 編譯程式

Linker 鏈結程式

Loader 載入程式

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其他系統之管理其他系統之管理

Main ( )

{int x;

scanf(“%d”,&x);

}

……

主程式

.Obj0

1

2

3

S1S2

call scanf

mov x,ax

……

…

a

x…

程式

段

資料

段

2000020001

Logical/virtual address

Compiler

…30001

.exe

0

1

2

3

S1S2

call 20001

mov 35301,ax

……

…

a

x…

程式

段

資料

段

20000

25101

…

35101

Linker

…scanf( ) 20001

25100

定位鏈結

定位：決定程式各模組之位置關係

鏈結：解決程式跨段參考的問題

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其他系統之管理其他系統之管理.exe

0

1

2

3

S1S2

call 20001

mov 35301,ax

……

…

a

x…

程式

段

資料

段

20000

25101

…

35101

…scanf( ) 20001

25100

Linker

定位鏈結

Loader

重定位 ( 改位址 ) 載入 (copy)

memory

100000

100001

100002

S1S2

call 120001

mov 135301,ax

……

…

a

x…

程式

段

資料

段

120000

125101

…

135101

…scanf( ) 120001

125100

A.exe

B.exe

執行

Physical/realaddress

重定位：根據實際載入位址，調整指令或資料的位址

載入：載入程式

作業系統簡介

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