[OS] 作業系統簡介

1.1 什麼是作業系統

kernel由軟體或韌體組成，作為使用者與電腦硬體的操作界面， 並且管理電腦系統資源。

四大管理 (Resources Management)

透過作業系統，對裸機(Bare Machine)進行四大管理， 使電腦能方便使用與最佳效率。

• Memory management: 決定能夠使用主記憶體的程式。
• Processaor and Process Management: 決定處理元 (Process)的運算順序與佇列。
• Device Management: 透過 Device Driver 驅動 Device。
• information Management: 管理儲存媒體的結構內容。

注: 程式執行時產生兩個以上(含)個process。

Resource Manager

意指Operating System，其功能管理裸機的四大資源。

• 紀錄資源狀態
• 提供Policy分配資源
• 透過Resource Allocator配置資源
• 工作結束後，回收資源。

Bootstrap Loader

亦可稱IPL(Inital Program Loader)用於載入作業系統的韌體

流程

1. 開機產生中斷使PC指向Bootstrap Loader
2. Bootstrap Loader由Disk讀取並載入OS Kernel
3. 將控制權轉交給Kernel(PC指向kernel)
4. OS載入Command Interpreter

注: 在OS kernel載入完成之後主記憶體會區分出， User Area與System Area。

Command Interpreter

Command Interpreter為作業系統的最前端使用者交互界面界面， 用來處理使用者命令，亦可稱為Shell。

透過直譯的方式判斷輸入命令文法有無錯誤在進行處理。

• Internal Command: shell載入時同時載入主記憶體中
• External Command: 存放於格外的輔助記憶體，需要時才載入。
• Batch Processing: 將命令寫於檔案內，使用時載入並執行命令。

Accounting

避免電腦系統被非法使用者存取，以保護電腦系統， 並且確認使用者資源權限。

Program Execution

• 透過shell執行程式
• 設定排程或通過 Event 執行程式，如 interrupt
• 發生錯誤、硬體損壞、通訊錯誤可透過 interrupt處理

System Call

作為程式與作業系統的界面，以避免直接存取系統資源， 並且限制程式使用資源只能透過 System Call，並檢查權限後透過 作業系統使用資源。

• 保護系統資源

注: 如printf等函數編譯過後轉換成System Call

DOS Call與BIOS Call與System Call的皆需

• 填寫Regisger
• 執行中斷呼叫int

但是System Call則嚴密控管系統資源。

System Protection

• 防止為授權使用者存取系統資源以免造成其他程式不正確。
• Privilege Separation
• Dual Mode Protection
  • User Mode: 一般使用者只能透過該模式不能直接影響核心
  • Monitor/Supervisor Mode: Super User 登入使用該模式，進行系統操作
  • 可透過硬體實做

注: Monitor Mode可稱為 Privilegeed Mode、System Mode、Protect Mode

作業系統

• 在監督者模式執行
• Privileged Instruction: Halt System、Turn Interrupt On/Off、Change Mode、I/O

一般程式

• User Mode
• 透過系統呼叫由 Monitor Mode 處理

1.2 Early System

• Job Control Language
• Batch
• Real Time/Time Sharing 分時系統
• Spooling

Terminology

• Batch Processing
• Multiporgramming
• Time Sharing
• Spooling
• Real Time
• Multiprocessing
• Distributed System

Batch System

Batch Processing必須透過Job Control Language的方式處理。

• 收集多個工作在透過電腦一次執行
• 缺乏使用者與程式的交談
• Turnaround Time較長，CPU被閒置

例子:

• 開機處理
• shell command in file
• 透過批次處理計算報表
• 批次語言: 稱為JCL或Command Language

Turnaround Time: 意指Submit到電腦工作完成所需的時間(Interval)， 包含CPU Time、I/O Time、等待作業系統時間等。

Multiprogramming

多支程式佔有主記憶體時，處理器快速的在多個工作切換。

• 如I/O等待時將CPU轉交給其他程式。
• Multioprogramming盡可能使各種設備忙碌， 以提昇Throughput與CPU Utilization

注: Throughput指單位時間中完成多少程式(number of processes)

Time Sharing Systems

CPU時間分割成多個Time Slice， 若有多支程式平分不同時間給不同程式。

• 切割time Slice
• 程式輪流使用cpu時間片段，限制時間過後由下一個程式存取
• 程式提早使用完成片段時(或I/O)，則切換到下一個程式存取。

作業系統在程式使用完時間時，發出timer interrupt將資源交給另外一支程式。 採用queue決定優先順序。

Time Slice大致採用ms切割時間片段。

• CPU scheduling 與 Multiprogramming (若不同時佔有主記憶體，載入 會花費大量時間，但Multiprogramming不一定有Time Sharing System)

Spooling

Simultaneous Peripheral Operation On Line用來解決專屬設備共用問題。

• 專屬設備: Dedicated Device同時只能被一個程式佔有
• Shared Device: Spooling模擬分享設備，使多個程式佔有 設備時不會產生輸出問題(如列印資料交疊)
• Spooler: 負責暫存輸出，並依序列印，採用disk作為buffer
• 使得不同程式中I/O與計算能夠同時進行
• 增加CPU與I/O設備的使用率

Response Time

提出請求直到回應的時間。

On Line / Off Line

• On Line: 設備連接直接由CPU控制
• Off Line: 不與電腦連接

Real Time System

• Hard Real Time: 在Trunaround Time內即時反應完成所有工作
• Soft Real Time: 限制時效內反應，更改應用程式的Priority 使其優先執行。

立即反應需要On Line，但連線系統不一定即時。

Multiprocessing

Multiprocessor System，由於同時多個CPU工作可稱為Parallel System。

• 緊密性系統: Tightly Coupled System，共用單一電腦中的資源
• 多處理器: 增加電腦產量與可靠度
• 優雅衰退: Graceful Degradation，失去部份處理器僅使效能降低。
• 軟性失誤: 由於優雅衰退帶有 Fail Soft，避免系統完全停止運作。

執行方式

• 單一程式多CPU
• 個別程式個別CPU

透過Data independent/dependent決定statement能否分配給不同CPU

若為後者程式需要交流，則由系統進行Synchronous

作業系統架構

• Symmetric Multiprocessing:
  • 處理器平等(identical)
• Asymmetric Multiprocessing (Master/Slave):
  • Master Processor: 用於處理作業系統
  • Slave Processor: 接收Master命令執行特定工作

Front/Back End

• Front end Processor: I/O介面卡的CPU
• Back end Processor: Disk controller介面的CPU

注: 該概念不當成Multiprocessing，Back End意指Disk

Duplex and Dual

• 雙工(Duplex)
  • 僅使用一套硬體運行，其他硬體作為備用
  • 支援熱抽換
  • 為高度容錯系統(Fault Tolerance)，可熱抽換轉用備用，通常可以Nonstop
• 雙套(Dual)
  • 適用於正確性保證
  • 可有兩套以上的系統共同運作，即可稱為Dual System
  • 比較多個運算結果增加正確性
• 雙工雙套混合
  • 以雙套進行運作，損壞時啟用備用系統
  • Non stop且運算精確

Distributed System

• 透過Communiaction Lines連接彼此，交換資源。
• 電腦網路系統

Multiprocessing比較

Distributed System為Lossely Coupled System(鬆散性系統)，彼此不共用 系統資源(如記憶體)，並且透過Communication Line進行連接，Heterogeneous Processr。

Multiprocessing為Tightly Coupled System，其共用系統資源，homogenous Processer。

優點

• Resource Sharing: 可以彼此分享資料來增加可用性
• Computation Speed up:
  • Parallel Virtual Machine: 透過多台電腦模擬成單一大型平行處理電腦
  • Load sharing: 分散負載
• Reliability: 增加可靠性
• Communication

類型

• Network Operating System:
  • 連接在一起的電腦
  • 共享資源方式: 遠端登入、直接傳輸
  • NOS: 可管理網路資源的作業系統
• Distrusted Operating System:
  • 相同作業系統並連接在一起的電腦
  • 遠端資源被視為自身的資源
  • 簡稱DOS

現代作業系統

• 多使用者
• 分散式系統環境(Netwoork)
• 支援分時系統
• 支援Spoolinog
• 即時反應與Priorty
• Batch

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