第八章  作業系統
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第八章 作業系統. 8-1 作業系統簡介 8-2 行程管理 8-3CPU 管理 8-4 記憶體管理 8-5 設備管理 8-6 檔案管理 8-7 常見作業系統. 8-1 作業系統簡介. 8-1-1 電腦系統架構 8-1-2 作業系統的意義與目的 8-1-3 作業系統的管理功能. 8-1 作業系統簡介. 8-1-1 電腦系統架構 硬體設備 電腦系統的實體資源,其主要部分包括:中央處理器 (CPU) 、主記憶體及輸入輸出設備 (I/O) 等 作業系統

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第八章 作業系統

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Presentation Transcript


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第八章 作業系統

  • 8-1作業系統簡介

  • 8-2行程管理

  • 8-3CPU 管理

  • 8-4記憶體管理

  • 8-5設備管理

  • 8-6檔案管理

  • 8-7常見作業系統


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8-1 作業系統簡介

  • 8-1-1電腦系統架構

  • 8-1-2作業系統的意義與目的

  • 8-1-3作業系統的管理功能


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8-1 作業系統簡介

8-1-1 電腦系統架構

  • 硬體設備

    電腦系統的實體資源,其主要部分包括:中央處理器(CPU)、主記憶體及輸入輸出設備(I/O)等

  • 作業系統

    控制和管理整個電腦系統的軟體,不僅管理所有硬體資源,也管理所有軟體資源,作業系統軟體包括監督程式、排程程式、控制程式……等

  • 系統應用程式

    具有特定功能以達到提供例行服務或使用者需求之目的

  • 使用者程式

    使用者為解決某特定應用需求而開發之程式系統


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使用者程式

系統應用程式

回應

需求

作業系統

硬體驅動程式

硬體設備

8-1 作業系統簡介

8-1-2 作業系統的意義與目的

  • 扮演使用者與電腦的中介溝通者及資源分配者外

  • 具有易升級的特性

  • 在整體電腦系統架構中扮演重要之核心角色


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8-1 作業系統簡介

8-1-3 作業系統的管理功能

  • 行程管理

    合理地協調各行程間的執行活動與資源分配,使得各行程均能有效地執行

  • CPU管理

    根據資源利用原則,採用合理的排程方式進行CPU時間的分配與回收,使CPU能有效執行並合理地滿足各程式的需求

  • 記憶體管理

    掌握主記憶體空間的分配及使用者資訊,根據程式執行需求及記憶體分配現況,進行主記憶體空間的劃分、配置與回收

  • 設備管理

    根據設備特點與程式需求採用不同的設備分配與回收策略

  • 檔案管理

    檔案建立、刪除、讀、寫等動作;負責檔案實際存放空間的配置與回收;檔案名稱及與實際存放空間的映射;提供檔案的保護與維護


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8-2行程管理

  • 8-2-1行程的定義

  • 8-2-2行程的狀態

  • 8-2-3行程控制區段

  • 8-2-4行程排程


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8-2行程管理

8-2-1 行程的定義

  • 正在執行中的程式

  • 包含可執行程式、程式執行所需之資料及程式執行內容

  • 程式執行過程中需要CPU時間、記憶體、檔案及輸入輸出設備等資源

  • 具有動態產生與終止的生命歷程

  • 行程也是程式和資料的集合,對於不同的資料,同一個程式會產生不同的執行結果


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8-2行程管理

8-2-2 行程的狀態

  • 建立 (New):

    建立一個初始之程式執行單位

  • 預備 (Ready):

    行程一旦被建立即處於預備狀態,預備接受資源分配

  • 等待 (Waiting):

    行程在此狀態即等待某一事件觸發而暫時停止執行

  • 中止 (Suspened):

    當行程無法立即處理時會進入中止狀態,必須等到中斷處理後才可執行

  • 執行 (Running):

    行程佔有CPU,並在CPU上執行其程式

  • 停止 (Terminated):

    行程執行終止,等待系統釋出


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8-2行程管理

行程生命狀態圖


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8-2行程管理

8-2-3 行程控制區段 (PCB)

  • 行程控制區段(Process Control Block , PCB)主要是用來描述行程狀態變化過程及紀錄行程的外部特徵和與其他行程的關係

  • 行程控制區段資訊可分為三種類型 :

    • 行程識別 (Process identification)

      每個行程都有唯一的識別字,用以區別不同的行程

    • 行程狀態資訊 (Process state information)

      包含使用者紀錄、控制及狀態紀錄、堆疊指標

    • 行程控制資訊 (Process control information)

      包含排程及狀態資訊、資料結構、CPU及實際時間的計數、I/O狀態資訊、行程間的聯繫


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8-2行程管理

8-2-4 行程排程 (Processing Scheduling)

  • 行程排程三種排程佇列 :

    • 工作佇列:包含系統中所有的行程

    • 預備佇列:行程存在於主記憶體中,一般使用鏈結串列的方

      式,預備並等待處理

    • 設備佇列:放置等待執行I/O設備的行程

  • 一個新建立的行程進入系統後即置入工作佇列工作排程處理從許多行程中選出一個行程並載入記憶體準備執行置入預備佇列的行程等待系統從記憶體中選出並取得CPU使用權行程繼續執行週期中的動作直到執行結束行程結束所有的佇列及其行程控制區段與資源將會被系統回收


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8-2行程管理

行程佇列流程圖


8 3 cpu

8-3CPU管理

  • 採用合理的排程方式進行CPU時間的分配與回收

  • CPU排程基本原則:

    • 高生產力:CPU排程應盡量提高系統的生產量

    • 資源均衡性:均衡地分配資源,使CPU與週邊設備盡量都能保

      持在「執行」狀態

    • 資源公平性:應公平對待所有的行程,任何一個行程的完成都

      不能被無限地延遲

    • 優先等級:如果系統排程支援優先排程法,則應對優先權較高

      的行程提供資源與服務

  • 常見之CPU排程演算法:

    「先來先服務法」(FCFS) 、「最短工作法」(SJF) 、 「最短剩餘時間 法」(SRTF) 、 「優先權法」(Priority) 、 「循環法」(RR)


8 3 cpu1

8-3CPU管理

  • 各排程平均等待時間

    • W:平均等待時間

    • n:進行排程之行程數

    • Ti:回復時間;第i個行程離開CPU的時間

    • Ci:CPU時間;第i個行程的CPU分割時間

    • Ai:到達時間;第i個行程進入預備佇列的時間


8 3 cpu2

8-3CPU管理

「先來先服務法」(FCFS)

先來先服務法 ( First-Come First-Served Scheduling , FCFS ) 將按

照行程進入預備佇列的先後次序進行選擇,而不會考慮其他因

  • 優點:

    FSFC的排程演算法簡單易行

  • 缺點:

    無法預測各行程的CPU時間,可能使短行程等待長行程

  • 請見8-3範例1、2


8 3 cpu3

8-3CPU管理

最短工作法 (SJF)

最短工作法 ( Shortest-Job-First Scheduling , SJF ) 以行程CPU週期

的長短為依據,當CPU有空時即選擇下一個CPU週期最短的行程

,此法適合用於批次系統,是屬於不可插隊法(nonpreemptive)

  • 優點:

    可將平均等候時間降到最低

  • 缺點:

    SJF偏袒短行程,故可能使長行程長時間處於等待狀態,可能造成無限延遲的現象

  • 請見8-3範例3


8 3 cpu4

8-3CPU管理

最短剩餘時間法 (SRTF)

最短剩餘時間法 ( Shortest-Remaining-Time-First Scheduling ,

SRTF ) 每進來一個行程就檢查所有行程的剩餘所需CPU時間,

剩餘時間最短的行程優先處理,是屬於可插隊法(preemptive)

  • 請見8-3範例4


8 3 cpu5

8-3CPU管理

優先權法 (Priority)

優先權法 ( Priority Scheduling ) 依照行程之優先權選擇執

行,若優先權相同,則依到達預備佇列的先後次序執行

  • 優點:

    比較重要的行程確定可優先完成,例如作業系統的行程

  • 缺點:

    Priority會優先處理優先權高的行程,因此可能造成低優先權行程的無限延遲

  • 請見8-3範例5


8 3 cpu6

8-3CPU管理

循環法 (RR)

循環法 ( Round-Robin Scheduling ) 是從預備佇列中挑出一

個行程並設定時間,若經過某一固定的時間分片(time slice)

就會發出中斷訊息,將CPU分配給其他尚未執行完成的行

程,此法適用於互動式系統,是屬於可插隊法(preemptive)

  • 優點:

    對於互動式系統提供合理的資源時間及公平的CPU時間

  • 缺點:

    如何決定適當的時間分片(time slice)。若時間分片太大則會降低效率;若時間分片太小則會增加行程執行轉換( context switching )的次數,且行程的回應時間不佳

  • 請見8-3範例6


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8-4記憶體管理

  • 8-4-1真實記憶體

  • 8-4-2虛擬記憶體


4124252

8-4記憶體管理

  • 記憶體管理基本目的:

    • 提供使用者使用記憶體的方便性

    • 充分發揮主記憶體的使用效率

  • 主記憶體管理方式:

    • 真實記憶體 (Real memory)

      (1) 分區記憶體管理

      (2) 可重定位分區記憶體管理

      (3) 分頁記憶體管理

    • 虛擬記憶體 ( Virtual Memory )

      (1) 需求分頁記憶體管理

      (2) 分段記憶體管理

      (3) 段頁式記憶體管理


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分區記憶體管理 (Partitioned Memory Management)

  • 將記憶體分割成數個相互獨立的區塊,每一區塊都配置給一個行程位址空間使用

  • 滿足多元程式(Mutiprogramming)執行的最簡單方式

  • 分區記憶體管理方式:

    • 靜態分區 ( Static partition )

    • 動態分區 ( Dynamic partition )


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分區記憶體管理

靜態分區 ( Static partition )

  • 靜態分區是指在處理任何行程前,主記憶體就已經被分割成許多相同大小或不同大小的區塊,區塊大小由作業系統決定

  • 一旦行程分配到記憶體後,在整個執行過程中不可再提出記憶體請求

  • 適用於對每個行程大小及使用頻率很清楚的情況

  • 優點:方法簡單易完成

  • 缺點:(1)分割的區塊數固定

    (2)相對地可執行的行程數也固定

    (3)可能產生「內部碎片」(Internal Fragmentation)

  • 請見課本範例


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分區記憶體管理 (Con.)

靜態分區範例

若作業系統將主記憶體切割成固定大小200k的區塊,若

有P1、P2分別提出150k、180k的主記憶體請求,則分別

會產生50k、20k的內部碎片


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分區記憶體管理 (Con.)

動態分區 ( Dynamic partition )

  • 在開始執行某行程時才分割一滿足需求的記憶體區塊給該行程

  • 在執行過程允許行程提出額外的主記憶體空間

  • 配置: (1)找到一個未使用且足夠大的區塊

    (2)若此區塊比行程所提出的需求大分割

    配置給行程的執行區塊 / 殘餘的自由空間

  • 回收:將回收區塊與相鄰自由空間合併成一塊大的連續自由空間

  • 優點:配置後殘餘的自由空間仍可提供其他行程使用,可提升記

    憶體的使用率

  • 缺點:可能產生「外部碎片」(External Fragmentation)


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分區記憶體管理 (Con.)

動態分區範例

若作業系統將主記憶體切割成固定大小400k的區塊,若有P1、P2、P3、P4依序提出200k、300k、330k、150k的主記憶體請求,則產生的外部碎片情況如圖所示


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

可重定位分區記憶體管理( Relocated Partitioned Memory Management)

具有壓縮(Compaction)功能

指將已配置給行程的記憶體集中移到記憶體的一端,使得零碎的自由

空間可以合併成一塊連續的自由空間

重定位(Relocation)

修改行程執行中與位址相關的項目

  • 優點:(1)可避免產生「碎片」(Fragmentation) 的問題

    (2)透過記憶體壓縮可以增加記憶體的使用效率

  • 缺點:(1)進行記憶體壓縮必須耗費系統時間

    (2)執行重定位需要額外的硬體設備

    (3)降低執行速度,提高系統成本


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

可重定位分區記憶體管理 (Con.)

範例

(a)為某時刻行程A(90K)、B(85K)、C(60K)的記憶體配置情況,當加入

行程D(60K)時由於兩塊零碎的自由空間40K、50K分別皆不足以提供

行程D執行

(b)在可重定位分區記憶體管理中將進行記憶體壓縮

(c)經過記憶體壓縮後,自由空間合併為一塊60K的連續空間,因此可

以配置給需要50K記憶體的行程D使用


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8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分頁記憶體管理 ( Paged Memory Management )

  • 將使用者行程記憶體(邏輯空間)分割成許多大小相同的區塊,每一塊稱為「分頁」(Page)

  • 將主記憶體(實體空間)也分割成許多和頁大小相同的單位,每一單位稱為「頁框」( Page Frame)

  • 需要透過分頁對映表進行分頁與頁框的對映

  • 邏輯位址(PA)包含:「頁號」(P)及「頁偏移量」(d)兩部分

  • 根據頁號指向分頁對映表(PMT)之相對索引值,則可得到該頁號之「基準位址」(b)

    PA = P + d


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邏輯位址(LA)

CPU

P1 d1

P2 d2

P d

(2)

實體位址(PA)

P1 d1

P2 d2

P d

(3)

(1)

分頁表(PMT)

P1

b1

b2

P2

(2)

8-4記憶體管理- (真實記憶體)

分頁記憶體管理 ( Con. )

頁號為P2之頁偏移量為d2,根據頁號對映至分頁表取得該頁之基準

位址(b2),可得到該分頁相對之實體位址( Physic address , PA)

PA = b + d


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8-4記憶體管理- (虛擬記憶體)

  • 虛擬記憶體 ( Virtual Memory )

    為使行程的位址空間(邏輯空間)可以大於主記憶體(實體

    空間),在執行使用者程式的過程中,僅將執行到的部

    分程式載入,執行完畢即釋出,如此一來程式執行的空

    間不會受到主記憶體大小所限制,想像是有一個可無限

    使用的記憶體空間,稱為虛擬記憶體 ( Virtual Memory)


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8-4記憶體管理- (虛擬記憶體)

需求分頁記憶體管理 ( Demand-paged Memory Management )

  • 和分頁記憶體管理方式類似

  • 將使用者行程記憶體(邏輯空間)分割成許多大小相同的區塊,每一區塊稱為「頁」(Page)

  • 將主記憶體(實體空間)也分割成許多和頁大小相同的單位,每一單位稱為「頁框」( Page Frame)

  • 透過分頁對映表(PMT)將虛擬位址對應到實體位址

  • 和分頁記憶體管理最大的不同:

    需求分頁記憶體管理在執行時僅載入部分有需要的分頁,而非一次載入所有分頁

  • 程式執行的空間不會受到主記憶體大小所限制


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8-4記憶體管理- (虛擬記憶體)

分段記憶體管理 ( Segmented Memory Management )

  • 和分頁記憶體管理方式基本觀念是相同

  • 分段記憶體管理是以「段」(Segment) 為單位,段的長度不似分頁為固定的,可以動態增加段的長度

  • 可避免固定分頁大小造成之內部碎片( Internal Fragmentation )

    段頁式記憶體管理( Segmented and Demand-paged Memory Management)

  • 結合分頁記憶體管理和分段記憶體管理之優點

  • 利用分段方式:處理獨立之執行程式

  • 透過分頁方式:管理主記憶體空間,提升主記憶體的使用率


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主記憶體空間

分頁表(PMT)

分段表(SMT)

P1分段表

P2分段表

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8-4記憶體管理- (虛擬記憶體)

段頁式記憶體管理示意圖

系統會為每個行程建立一個分段表和若干個分頁表,某行程的

分頁表個數等於該行程之分段數目,而分頁表項目則對映到相

對的主記憶體區塊


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8-5設備管理

  • 8-5-1獨享設備的分配

  • 8-5-2共享設備的分配


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8-5設備管理

設備管理

屬於電腦系統邏輯I/O的基本功能,包括「獨享設備」

(dedicated device) 和「共享設備」(shared device) 的資

源分配

  • 獨享設備:在同一時間一次只能被一個使用者使用

    例如:印表機

  • 共享設備:可以同時被數個使用者使用

    例如:磁碟


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8-5設備管理- (獨享設備)

8-5-1 獨享設備的分配

  • 靜態分配:

    使用者行在被置入主記憶體執行前進行分配,行程在獲得某設備使用權後進入執行,並一直獨占此設備,直到行程結束歸回系統

  • 動態分配:

    • 行程在執行過程中有需要使用某設備時先提出需求(request),取得使用權後方可執行

    • 使用結束立即歸回系統

    • 可提高獨享設備的使用效率,也增加了系統複雜性

    • 若分配不當可能會造成系統死結 (deadlock)的現象

  • 獨享設備大多採用動態分配方式,而動態分配可透過虛擬設備(virtual device)使用SPOOLing的技巧將獨享設備轉換成可共享的設備


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8-5設備管理- (獨享設備)

SPOOLing

  • 線上同時週邊處理(Simultaneous Peripheral Operations On Line)

  • 利用一可共享且具有高速大容量的區塊設備(例如:硬碟)來模擬獨享設備的操作

  • 使一個獨享設備變成可多重平行使用的虛擬設備

  • 將獨享設備轉換成邏輯上的共享設備

  • 在SPOOLing系統中各行程實際上使用的是虛擬設備,而非直接使用週邊設備

  • 由於主記憶體和虛擬設備間的資料傳送速度比主記憶體和週邊設備的資料傳送速度來的快,因此也減少了使用者行程的等待時間

  • 主記憶體和虛擬設備間的資料傳送與主記憶體和週邊設備的資料傳送可平行處理,更顯出SPOOLing系統具有高度的平行處理特性


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虛擬設備

SPOOLing

分配程式

磁碟

主記憶體

查詢

SPOOLing目錄

檔案1

檔案1

磁碟驅動行程

印表機驅動行程

檔案2

Happy

檔案n

8-5設備管理- (獨享設備)

SPOOLing 範例

  • 以列印工作為例,所有行程的列印資料會以檔案形式先暫存在磁碟中,形成先進先出(FIFO)佇列

  • SPOOLing分配程式會以循環的方式不斷地查詢SPOOLing目錄,只要SPOOLing目錄中有列印檔案,即呼叫磁碟驅動行程將一個列印檔案載入主記憶體,再呼叫印表機驅動行程將主記憶體中的檔案內容送至印表機印出

  • 原先為獨享設備的印表機即可成為可共享之輸出設備


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8-5設備管理- (共享設備)

先來先服務法 ( FCFS)

按照行程提出請求的順序提供磁碟服務

例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

磁碟起始:55


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8-5設備管理- (共享設備)

最短尋徑法 (SSTF)

  • 以尋徑最佳化為出發點,優先選擇距離磁頭位置最近的請求

  • 優點:使得靠近磁頭位置的請求迅速得到服務,防止磁頭大幅度來

    回振動,可改善對行程的平均回應時間

  • 缺點:服務執行集中在中間部分,偏離磁頭位置愈遠的行程回應會愈慢,

    甚至會造成「長時間延遲」(starvation)

    例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

    磁碟起始:55


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8-5設備管理- (共享設備)

掃描法 (SCAN)

  • 先往內側依序執行存取請求,一直到最內側位置為0的時候,方才改變方向往外側移動,並依序服務該方向上之存取需求

  • 優點:克服了SSTF排程法集中於中間部分而怠慢兩側的情

    況,改善了存取服務的平均回應時間

    例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

    磁碟起始:55


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8-5設備管理- (共享設備)

觀察法 (LOOK)

  • 類似SCAN排程法,其差異在於SCAN排程法會往內側移動到0時才改變方向,而LOOK排程法則是往內側移動到存取請求最小的位置(不需回到0)後即改變方向並依序服務存取需求

  • 使用LOOK排程法可減少回歸到最內側(位置為0)所耗費的時間

    例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

    磁碟起始:55


4124252

8-5設備管理- (共享設備)

循環掃描法 (C-SCAN)

  • 先從磁頭位置往外側依序執行存取請求,一直到最外側時,則回到最內側並往外側方向依序執行尚未服務之存取需求

    例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

    磁碟起始:55


4124252

8-5設備管理- (共享設備)

循環觀察法 (C-LOOK)

  • 類似C-SCAN排程法,其差異在於C-SCAN排程法會往外側到端點再回到內側之端點重新執行服務;而C-LOOK則是往外側移動到存取請求最大的位置(不需到端點)後回到存取請求最小位置(不需回到0)並往外側方向依序執行尚未服務之存取需求

  • 減少延伸到最外側(位置199)及回歸到最內側(位置0)所耗費的時間

    例如:佇列順序:95 , 180 , 38 , 120 , 12 , 125 , 64 , 67

    磁碟起始:55


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8-6檔案管理

  • 8-6-1檔案系統功能與結構

  • 8-6-2檔案類型與結構

  • 8-6-3檔案目錄的結構與管理

  • 8-6-4檔案的保護與保密


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8-6檔案管理

8-6-1 檔案系統功能與結構

  • 作業系統將電腦系統中的程式、訊息組織成檔案進行管理,負責檔案管理的系統稱為檔案系統

  • 檔案系統的基本目標為提供使用者使用檔案的方便性

  • 檔案系統的功能包括:

    (1)檔案實際存放空間的配置與回收

    (2)檔案名稱及與實際存放空間的映射

    (3)提供檔案的共享、保護與保密

    (4)達到使用者要求的檔案操作(建立/讀/寫/刪除….等)


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8-6檔案管理

檔案系統架構圖

其中檔案的存取方式會依不同的檔案實際結構的不同而有所差異


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8-6檔案管理

8-6-2 檔案類型

  • 常見的電腦檔案包括:資料檔、全文檔、執行檔、批次檔

  • 資料檔:

    通常是由一群格式相同但內容不同的記錄(record)所組成,且任何資料檔所包含的記錄數量是不固定的

  • 全文檔:

    主要包括文書檔和原始程式檔,其內容是完全由字元所構成

  • 執行檔:

    由一連串機器碼指令所組成,構成可處理特定工作或問題的程式

  • 批次檔(batch file) :

    內容包括命令 (command) 和執行檔的主檔名,通常用來設定電腦系統的使用者環境或簡化執行程式的程序


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8-6檔案管理

8-6-2 檔案結構

  • 檔案實際結構是指檔案在外部儲存體上存取的組織方式

  • 每一個檔案在邏輯上是連續的訊息集合,但實際存放在外部儲存體上並不一定是連續空間

  • 三種基本的檔案組織:

    • 循序存取組織 ( Sequential )

    • 直接存取組織 (Direct)

      (1)目錄法

      (2)雜湊法

    • 索引循序組織 ( Indexed Sequential )


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8-6檔案管理

循序存取組織 ( Sequential )

  • 構造最簡單但搜尋速度最慢的檔案組織,其儲存方式是依照先來後到的順序一筆接一筆存到檔案中

  • 由於前後資料區塊只有先來後到的差別,並無其他關連性,因此要從檔案中讀取任何資料區塊,必須從頭開始,逐一讀取並且比對檢視

  • 缺點:不宜隨機存取

    例如若要存取檔案的第n個區塊,則必須從首端開始依序讀入n個區塊才能找到,這樣的動作相當花費搜尋時間


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8-6檔案管理

直接存取組織 (Direct)

  • 對資料區塊提供鍵值(key),可透過預定程序轉換成目標位址(address), 再依此位址直接讀出所要的資料

  • 直接存取式組織可從檔案裡迅速的檢索欲尋找的資料區塊

  • 直接存取組織 - [目錄法]

    在目錄檔中檔案裡每一目錄項的內容都是對應資料區塊的欄位內容及目標位址

    • 方法:從資料主檔裡逐筆讀出各資料區塊的鍵欄位並計算該記錄的位

      址,並將這些目錄項抄錄到新建立的目錄檔,再依 排序結構進

      行排序。搜尋資料時,先從目錄檔裡找出符合條件的目錄項,

      讀出位址後再依此位址從資料主檔裡讀出資料

    • 優點:檢索速度快

    • 缺點:需要額外的空間儲存目錄檔,且維護資料主檔時,必須

      隨時更新目錄檔資訊


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8-6檔案管理

直接存取組織 – [目錄法]

(1)根據位址將資料主檔排序後建立新的目錄檔(圖中樹狀圖)

(2)若欲尋找檔名為”Nobody”的檔案,即從目錄檔中進行搜尋讀出位址為”N+1”

(3)再到資料主檔中位址”N+1”處讀出資料


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8-6檔案管理

直接存取組織 – [雜湊法]

  • 在將資料存入檔案時,必須先用運算規則(雜湊函數)將鍵換算成位址

  • 檢索資料時也用相同的雜湊函數把目標鍵值換算出原先的位址

  • 可以快速檢索出個別的資料

  • 計算位址時,不同的鍵值可能換算出相同的位址,則會發生碰撞問題

  • 發生碰撞時則須另外找可用的新位址

  • 使用雜湊法的重點在於應具有好的雜湊函數以降低碰撞率,在發生碰撞時也應有妥善的處理方式


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8-6檔案管理

索引循序組織 ( Indexed Sequential )

  • 把排序過的資料主檔加上索引檔所構成的檔案組織

  • 索引循序組織除了有循序存取組織利於循序處理作業的優點,也像直接存取組織可快速檢索個別資料區塊

  • 在索引循序存取組織中,在新增或刪除任何資料時,資料主檔和索引檔會即時更新,且資料主檔仍會保持在排序狀態


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8-6檔案管理

8-6-3 檔案目錄的結構與管理

  • 檔案目錄是由許多等長的目錄項目所組成的,是檔案系統的關鍵資料結構,主要用來儲存與管理檔案的相關資訊

  • 檔案系統會為檔案設置動態的「檔案控制區塊」( File Control Block , FCB )儲存檔案的相關資訊,每建立一個檔案隨即會產生一個相對應的FCB,系統會根據FCB內容來管理檔案

  • 在系統中一個檔案實際上是由PCB和檔案本體所組成

    • 檔案本體:訊息實體

    • PCB :內含與檔案有關的說明和控制訊息

  • PCB的內容包括:檔案類型與結構、檔案實際儲存訊息、檔案共享與保密訊息及檔案時間管理訊息等

  • 基本目錄結構:(1)單層目錄結構

    (2)雙層目錄結構

    (3)目錄樹結構


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8-6檔案管理

單層目錄結構

  • 在整個系統中建立一個目錄表,系統中所有檔案的檔案名稱和FCB都並列在此目錄表中

  • 優點:實作相當簡單

  • 缺點:無法處理相同檔名的問題,易導致系統錯誤


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8-6檔案管理

雙層目錄結構

  • 檔案目錄分成:(1)主目錄表(Master File Directory , MFD)

    (2)使用者目錄表(User File Directory , UFD)

  • 系統中只有一個MFD,其目錄內容為:

    (1)使用者名稱 (2)指向使用者的UFD的指標

  • 系統中每個使用者都有一個UFD,其包含了所屬該使用者所有檔案的FCB


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8-6檔案管理

雙層目錄結構 (Con.)

存取任一檔案先從MFD中根據使用者名稱找出其相對應的

UFD,再從相對應的UFD中按檔案名稱找出相對應的FCB

,因此就算不同使用者使用相同的檔名也不會發生衝突


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8-6檔案管理

目錄樹結構

  • 目錄樹結構是一種多層目錄結構

  • 目錄樹結構有一個根節點(root)代表整個系統的根目錄,根目錄項下可能是一個檔案(圖中圓形)也可能是次一層的子目錄(圖中矩形)

  • 從根節點到任何一個節點都有一條獨一的路徑,在管理上不會產生使用者間的檔案衝突,例如圖中的檔案X。

  • 在目錄樹的結構中,可以將檔案按類型、用途等建立多個分類目錄,可根據使用者需求擴展目錄結構的層次,使得檔案管理更具彈性


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8-6檔案管理

8-6-4 檔案的保護與保密

  • 防止未經授權的使用者存取某個檔案

  • 管理使用者對檔案的存取控制權限(新增/讀/寫/執行/刪除..等),防止不當的檔案操作

  • 常見的檔案保護與保密的方法 :

    • 密碼控制

    • 加密機制


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8-6檔案管理

檔案的保護與保密- [密碼控制]

  • 檔案的保護也可以透過密碼來控制檔案的存取

  • 密碼是由檔案所有人在建立檔案時設定並存在FCB中,任何人欲存取檔案都必須知道其密碼

  • 檔案使用者則主要分成有密碼者與無密碼者,存取權限不再分類,只要有密碼者皆具有相同的存取權限

  • 檔案所有人具有改變密碼的權利


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8-6檔案管理

檔案的保護與保密- [加密機制]

  • 由於存取控制表和密碼都是存放在檔案目錄中,資料可能被洩漏或竊取,因此保密性不高,對於極機密的資料而言是不安全的

  • 透過加密的方式可以提高檔案的保密性

  • 加密方式是檔案所有人在建立一個檔案時必須先進行加密,即透過一組代碼啟動隨機數列產生器,檔案系統會將所產生出來的隨機數列與檔案中的各字元進行編碼,之後再存到儲存體

  • 當要讀出檔案時的解密,則需要當初加密的那一組代碼進行解碼處理方能使檔案復原

  • 由於加密的代碼是由檔案所有人所持有,而並非存在系統中,因此具有較高度的保密性

  • 使用加密機制的缺點在於會增加檔案進行加密和解密的額外系統負擔


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8-7常見的作業系統

作業系統(Operation System, OS)就像電腦的靈魂,它包含了許多的功能,電腦在沒有載入作業系統時,是無法作任何事情的,就像一個人的靈魂被剝奪了一樣,失去任何的意志。

作業系統若依處理的程序分類可分為下列三種:

單人作業系統

多人作業系統

多工作業系統

目前較常見的作業系統有:


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8-7-1 MS-DOS(MicroSoft Disk Operating System )

MS-DOS是PC上最早出現的作業系統(1981年),它是由Microsoft美國微軟公司在IBM的PC平台(16位元個人電腦)下所設計出的,因此它只提供文字介面的操作模式。


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  • MS-DOS的缺點:

  • 系統為16位元格式,在32位元的PC上無法完全發揮效能。

  • 安裝不易,必需要對電腦略有了解的人才能安裝及使用,無法打入家用市場。

  • MS-DOS的檔案名稱是8.3的格式,就是主檔名8個字元,副檔名3個字元。

  • 主記憶體的限制是在640Kb,其他的記憶體全部會變成上層記憶體,必需要特別指定放在上層記憶體才會用到上層記憶體,而主記憶體很容易就用盡了。

  • 一次只能執行一個程式,如果要執行數個程式,將是非常困難且不易辦到的。

  • MS-DOS的操作方式是文字模式,因此使用者必需鍵入文字指令才能讓它執行命令,因此大部份的使用者面臨最大的問題就是要面對這些複雜的指令,所以後來發展出的Windows系統改以圖形使用者介面(GUI, Graphic User Interface),所以MS-DOS已經面臨被淘汰的命運了。


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8-7-2 Windows 3.1/95/98

Windows 3.1是一個單工單使用者且檔案系統皆和DOS相同的系統,因此雖然它是圖形化的使用,但是支援的硬體和軟體有限,所以並沒被廣泛的使用,但是已經為Microsoft打開了圖形作業系統的開端。

Windows 95支援32位元CPU,可以執行32位元的應用程式,也可以不

需要使用DOS作基底,可單獨安裝在PC之中。它不但支援各種硬體和軟體,而且開發應用軟體更加的容易,使得應用程式在這個時期被大量的開發出來。

Windows 98和Windows 95的操作方式很相同,架構上也沒有太大的變化,但是它大大改善了Windows 95容易當機的問題,而且安裝更加容易,因此開始成為大眾化的作業系統。


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  • Windows 95/98的優點:

  • 主記憶體沒有容量的限制,記憶體可以完全控制及使用。

  • 一次可執行數個程式,增加工作的效率。

  • 可依使用者名稱登入,資源可以有效分享。

  • 同時具用命令列及圖形使用者介面,方便使用者選擇使用。

  • 具有隨插即用(Plug & Play)的功能

  • 可以輕易架設網路,並且具有傳真功能。


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8-7-3 WindowsNT/2000

Microsoft在開發Windows系統時,同時為了搶食網路伺服器的市場,也開發了伺服器等級的作業系統,稱為Windows NT。

Windows 2000是Microsoft在2000年所發表的作業系統,它和Windows NT是幾乎不太相同,不但整個重新設計,並且改善了Windows NT的各種問題,且效能更好。

8-7-4 Windows XP

Windows XP的核心是Windows

2000,但是操作方式和Windows 31/95/98/2000幾乎不太相同(雖然功能一樣),但Windows XP主要對象是家庭,因此它的安裝更容易、操作更簡便、畫面更炫麗,且支援許多高科技的週邊設備,讓使用者能更豐富且快樂的使用電腦。


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  • 8-7-5 UNIX

  • UNIX在1969年就已經在AT&T被發明出來了,由於它一開始提供給學術單位來研究使用,所以發展出新UNIX的效能及穩定性都相當的好,而且每個學術單位都發展出各自的版本,例如:BSD(Berkely SoftwareDistributions),而慢慢的,UNIX也增加了網路通訊、資料庫管理、記憶體自動管理、多緒序分工及使用者管理等強大功能,因此用來作為大型主機的使用是相當的合適的,所以商業公司就將UNIX廣泛的應用在商業的各種領域之中。

  • UNIX的優點:

  • 主記憶體沒有容量的限制,記憶體可以完全控制及使用。

  • 一次可執行數個程式,增加工作的效率。

  • 多人多工處理可數個人同時登入,資源可以有效分享。

  • 核心程式強大,應用程式當了不會影響核心系統的運作。

  • 同時具用命令列及圖形使用者介面,方便使用者選擇使用。


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  • 8-7-6 MacOS

  • 在Apple電腦上,安裝的當然是自家的OS系統,稱為MacOS,它一開始就使用圖形使用者介面,因此一推出市場後,相當受到歡迎,而且MacOS是內含在Apple電腦上的,所以安裝的問題少很多,也不太需要學習,一般人只要教個30分鐘,就幾乎完全了解其操作方式,使得學習的門檻大大的降低,讓許多人愛不釋手。

  • MacOS既然如此的好,為何還是被Windows系統比下去了呢,主要原因有兩個:

  • MacOS沒有太多硬體廠商支援

  • MacOS沒有太多軟體廠商支援


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8-7-7 Linux

Linux和UNIX並沒有直接的關係,它一開始只是UNIX的仿冒品,而Linux是全新的核心程式,但其程式碼全部是公開且免費的,功能卻和UNIX一樣的強大。


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