第06章软体简介课件

1、作業系統簡介1作業系統(Operating System)的目的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等有效的管理資源Memory：虛擬記憶體(virtual memory)Processor：程序排程(process scheduling)Device：死結 (dead lock)Information：檔案(file)Others：載入(loader)，鏈結(linker)，庫存程式(library)，公用程式(utility)2計算機作業方式Batch(批

2、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。 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)3計算機作業方式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。Time-Sharing(分時作業)Multipr

3、ogramming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4計算機作業方式Multiprogramming(多工程式處理)-1970s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。Multiprocessing(多元處理)-1970s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。Multitasking(多工處理)-19

4、80s電腦Memory內有2個以上屬於同一程式的工作(task)可被同時執行。Task：執行一個特定功能的一段程序(副程式)Multithreading(多序執行)-1990s如Java5Virtual Memory虛擬記憶體優點使User的程式不受實際Memory容量的限制。Memory內部程式/資料的保護。Memory內部資訊的共享(sharing)。作法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)。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

5、片)。6Virtual Memory虛擬記憶體Page Fault 代換策略FIFO (First In First Out) 先進先出，最直觀，效果差LRU (Least Recently Used)最近最久未用，合理Optimal最晚才會再用，最佳，理論上限Random：實際上使用CPUMain MemoryPage framePage framePage framePage frameHardDiskPage 1Page 2Page 3Page 4Page 5Page 6Page 7Page 8Page 9Page 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,

6、10,4,7Page 1Page 3Page 6Page 9？ Page Fault7Page Fault 代換策略實作FIFO(先進先出)頁參考順序：0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0Page frame=3參考順序01234215672374560PF 0PF 1PF2Page Fault000033335552222551111444466633336222221117777444共發生 page fault ()= 次341567234560158自我練習FIFO(先進先出)頁參考順序：1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0P

7、age frame=4參考順序PF 0PF 1PF 2PF 3 Fault共發生 page fault ()= 次90Page Fault 代換策略實作LRU(最近最久未用) Least Recently Used頁參考順序：0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0Page frame=3參考順序01234215672374560PF 0PF 1PF2Page Fault0共發生 page fault ()= 次31503331117777776011144455522244412222226663335524156723456010自我練習LRU(最近最久未用) L

8、east Recently Used頁參考順序：1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0Page frame=4參考順序PF 0PF 1PF 2PF 3 Fault共發生 page fault ()= 次11Page Fault 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：0,1,2,3,4,2,1,5,6,7,2,3,7,4,5,6,0Page frame=3參考順序01234215672374560PF 0PF 1PF2Page Fault0共發生 page fault ()= 次12000344444444445511

9、1111156777777622222222223333334567356012自我練習Optimal(取代最晚才會再用的)頁參考順序：1,2,3,4,5,0,1,4,5,6,7,4,5,6,7,1,0Page frame=4參考順序PF 0PF 1PF 2PF 3 Fault共發生 page fault ()= 次13Process Management (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 Job1User2

10、submit Job2Usern submit JobnJnJ3,J2,J1Job QueueReadyPnP3,P2,P1Ready QueueRUNWAITTime 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)14Process Management (程序管理)Process Scheduler (程序排程器)的目標System Balance (系統平衡)程序大致可分為I/O bound：大多

11、數時間在做I/O，如Word。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。15Process Management (程序管理)Process 的排程策略Non-Preemptive(不可插隊式) FCFS (First Come First Serve)：先來先做SJF (Shortest Job First)：最短先做Preemptive(可插隊式) RR (Round-Robin)：啄木鳥/Time-sharing，適用於一般電腦。SRTF (Shortest

12、 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。16Process Scheduling 程序排程Non-Preemptive (不可插隊式)FCFS 先來先做 (First Come First Serve)Process #Burst TimeArrived Time1100243355447p4p3P2p1305710141923A

13、verage Waiting TimeAverage 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#17自我練習Non-Preemptive (不可插隊式)FCFS 先來先做 (First Come First Serve)Process #Burst TimeArrived Time1100263335457p4p3P2p1Average Waiting Time=？Average

14、 Turnaround Time=？18Process Scheduling 程序排程Non-Preemptive (不可插隊式)SJF 最短先做 (Shortest Job First)Process #Burst TimeArrived Time1100243355447p4p3P2p1305710141823Average Waiting Time=(0+(10-3)+(18-5)+(14-7)/4=6.75#Average Turnaround Time=(10+(14-3)+(23-5)+(18-7)/4=12.5#19自我練習Non-Preemptive (不可插隊式)SJF 最短

15、先做 (Shortest Job First)Process #Burst TimeArrived Time1100263335457p4p3P2p1Average Waiting Time=？Average Turnaround Time=？20Process Scheduling 程序排程Preemptive (可插隊式)SRTF 剩餘最短時間先做 (Shortest Remaining Time First)Process #Burst TimeArrived Time1100243355447p4p3P2verage Waiting Time=(16-3)+0

16、+(11-5)+0)/4=4.75#Average Turnaround Time=(23-0)+(7-3)+(16-5)+(11-7)/4=10.5#21自我練習Preemptive (可插隊式)SRTF 剩餘最短時間先做 (Shortest Remaining Time First)Process #Burst TimeArrived Time1100263335457p4p3P2p1Average Waiting Time=？Average Turnaround Time=？22Process Scheduling 程序排程Preemptive (可插隊式)RR 啄木鳥 (Round-r

17、obin)Process #Burst TimeArrived Time1100243355447p4p3P2verage Waiting Time=(12+(1+4)+(3+6+4)+(5+4)/4=9.75#Average Turnaround Time=(22+(12-3)+(23-5)+(20-7)/4=15.5#Time slice(時間間隔)=22468121822201623自我練習Preemptive (可插隊式)RR 啄木鳥 (Round-robin)Process #Burst TimeArrived Time1100263335457p4p3P2

18、p1Average Waiting Time=？Average Turnaround Time=？24Device Management (設備管理)Device (設備)分為Dedicated(專屬)：如printer, tapeShared(共用)：如Memory, DiskRace 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：程式中加入“要求printer”及“釋

19、放”指令對專屬Device做Mutual Exclusion(互相排斥)控制25Device Management (設備管理)Process 1要求printer要求tape釋放tape釋放printerProcess 2要求tape要求printer釋放tape釋放printerP1P2printertape等等Dead lock (死結)26Dead lock (死結)Dead lock 發生之四大必要條件(缺一不可)Mutual Exclusion (互斥)Hold & Wait (持有並等待)Non-preemptive (不可強佔)Circuit Waiting (循環等待)Dead lock 的解決Prevention (預防) 釜底抽薪 破除任一必要條件，使Dead lock 不可能發生。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。Detection & Recovery (偵測及復原) 見機行事 Dead lock發生後，犧牲某一方釋放資源，打開