第一章 簡介

1. 第一章簡介 鄧姚文 http://www.ywdeng.idv.tw Tanenbaum作業系統2Ed

2. 大綱 • 什麼是作業系統 • 作業系統的類型 • 作業系統概念 • 作業系統的結構 Tanenbaum作業系統2Ed

3. 簡介 • 電腦的組成 • 硬體(hardware) • 系統程式(system programs) • OS 以 kernel mode 執行 • Compiler, Editor 以 user mode 執行 • 應用程式(application programs) Tanenbaum作業系統2Ed

4. 電腦的組成 Tanenbaum作業系統2Ed

5. 什麼是作業系統 • 功能的延伸 • Extended machine, virtual machine • Easier to program • 將底層繁瑣的工作隱藏起來 • 提供友善的、易於使用的介面給使用者 • 資源管理者(resource manager) • 資源(resource):CPU time, memory space,… • 誰可以取得某一項資源的使用權? 何時生效? 可以用多少? 可以用多久? • Time multiplexed, space multiplexed Tanenbaum作業系統2Ed

6. 作業系統簡史 • 第一部數位計算機 analytical engine • 英國數學家 Charles Babbage • 純機械式，失敗！ • 可程式化，第一位程式設計師:Ada Byron • 第一代:1945-55 • Vacuum tubes(真空管) & Plugboards • Programming in machine language • 沒有程式語言，沒有OS • 1950 punched card 打孔卡 Tanenbaum作業系統2Ed

7. 作業系統簡史 • 第二代:1955-65 • Transistor(電晶體)& batch system(批次系統) • Mainframe 大型主機，商業用途 • 價格昂貴，只有大公司與政府機關負擔得起 • FORTRAN 程式語言 • 批次系統 • 減少設定時間 • 收集許多 job，一次做完 Tanenbaum作業系統2Ed

8. Batch Systems 早期的批次系統 • bring cards to 1401 • read cards to tape • put tape on 7094 which does computing • put tape on 1401 which prints output Character-Oriented Character-Oriented Word-Oriented Tanenbaum作業系統2Ed

9. 控制卡 • Structure of a typical FMS job – 2nd generation Tanenbaum作業系統2Ed

10. 作業系統簡史 • 第三代: 1965-1980 • IC(積體電路)&multiprogramming • IBMSystem/360 • OS/360, written in assembly language 組合語言 • Multiprogramming 多重程式 • 提高資源使用率 • Spooling (simultaneous peripheral operation on line) • CTSS (compatible time sharing system) Tanenbaum作業系統2Ed

11. Multiprogramming 多重程式 • Multiprogramming system • three jobs in memory – 3rd generation Tanenbaum作業系統2Ed

12. 作業系統簡史第四代: 1980 至今 • LSI (Large Scale IC), VLSI • Microprocessor 微處理器 • Intel 4004, 8008, 8080, 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium • Apple 蘋果電腦 • Steve Jobs • IBM PC • Microsoft 微軟: MS-DOS, Windows • IBM OS/2 Tanenbaum作業系統2Ed

13. The Operating System Zoo • 大型主機 Mainframe operating systems • 伺服器 Server operating systems • 多重處理 Multiprocessor operating systems • 個人電腦 Personal computer operating systems • 即時 Real-time operating systems • 嵌入式 Embedded operating systems • 智慧卡 Smart card operating systems Tanenbaum作業系統2Ed

14. Mainframe OS • 特點：容量大 • 數 TB 記憶體 • 數千顆硬碟 • 服務模式 • Batch：不與使用者互動 • Transaction processing：large number of small requests, thousands per second • Timesharing：多位使用者同時使用電腦 • OS/390 Tanenbaum作業系統2Ed

15. UNIX 簡史 • MULTICS: MULTiplexed Information and Computing Service • MIT, Bell Labs, GE 奇異電器 • GE-645 只比 386 PC 強一點 • Envisioned one machine providing computing power for everyone in the Boston area. • Written in PL/I • Bell Labs 退出，MIT 把 MULTICS 完成 • GE 把電腦部門賣給 Honeywell Tanenbaum作業系統2Ed

16. UNIX 簡史(cont’d) • 1961 DEC PDP-1 • 4K of 18-bit words, $120,000 • AT&T Bell Labs Ken Thompson • PDP-7 • UNIX: a stripped-down, one-user version of MULTICS • 公開給學校使用 Tanenbaum作業系統2Ed

17. Server OS • Servers ～ large personal computers, workstations, mainframes • Serve multiple users at once over a network • 資源的分享 • 提供各種服務 • UNIX(Linux, FreeBSD, Solaris, AIX), Windows Server 2000/2003 Tanenbaum作業系統2Ed

18. Multiprocessor OS多重處理作業系統 • 使用多顆 CPU 以提高計算能力 • 平行處理電腦 • Parallel computers • Multi-computers • Multiprocessors • 伺服器作業系統大多數都支援多顆CPU • 雙核心、四核心、八核心？ Tanenbaum作業系統2Ed

19. PC 作業系統 • 主要任務： • 提供一個好用的介面 • 只服務一個使用者 • 應用程式種類繁多 • 文書處理 • 試算表 • 遊戲 • Windows 系列、MAC OS、Linux Tanenbaum作業系統2Ed

20. Real-Time OS即時作業系統 • 時間最要緊 • 在規定的時間完成指定的工作 • Hard real-time • 不容許時間上的誤差 • 容許誤差值在一定的範圍內 • Soft real-time • 偶爾錯過時間也不要緊 • VxWorks, QNX Tanenbaum作業系統2Ed

21. Embedded OS嵌入式作業系統 • 體積小 • PDA: personal digital assistant • 手機作業系統 • Palm OS • Linux • Windows CE • Consumer electronics Tanenbaum作業系統2Ed

22. Smart Card OS智慧卡作業系統 • 最小型 • 大部分只提供單一功能 • 電子錢包付費 • JAVA oriented Tanenbaum作業系統2Ed

23. 電腦硬體 • PC 硬體組成 硬碟 螢幕 軟碟 鍵盤 記憶體 匯流排 Bus Tanenbaum作業系統2Ed

24. CPU 中央處理器 • Register 暫存器 • 一般用途暫存器：儲存運算中的資料 • Program Counter (PC) 程式計數器 • Stack Pointer (SP) 堆疊指標 • Program Status Word (PSW) 程式狀態暫存器 • 指令執行週期 • Fetch 擷取 • Decode 解碼 • Execute 執行 Tanenbaum作業系統2Ed

25. CPU 中央處理器指令執行週期 Tanenbaum作業系統2Ed

26. CPU 中央處理器Pipeline 管線 Tanenbaum作業系統2Ed

27. CPU 中央處理器Superscalar 超純量架構 (a) A three-stage pipeline (b) A superscalar CPU Tanenbaum作業系統2Ed

28. Memory 記憶體 • 典型的記憶體階層架構 • 越靠近 CPU 的記憶體越快、越貴、越小 容量 存取時間 暫存器 快取 主記憶體 磁碟 磁帶 Tanenbaum作業系統2Ed

29. Memory 記憶體 • RAM: random access memory 隨機存取記憶體 • Volatile 電源中斷資料便消失 • ROM: readonly memory 唯讀記憶體 • Non-volatile 電源中斷後仍保留資料 Tanenbaum作業系統2Ed

30. 磁碟架構 讀寫頭 讀寫臂移動方向 Sector：磁區 Track: 磁軌 Cylinder：磁柱 Tanenbaum作業系統2Ed

31. 記憶體存取 • 記憶體保護 • 防止一支程式存取其他程式所使用的記憶體空間 • 記憶體重定址 memory relocation • 無法保證將程式載入到特定的記憶體位置 • Base Register 基底暫存器 • Limit Register 限制暫存器 • Virtual Address 虛擬位址 • Physical Address 實體位址 • Memory Management Unit (MMU) 記憶體管理單元 • Context Switch 內容切換 Tanenbaum作業系統2Ed

32. 記憶體空間一對 base-limit 和 兩對 base-limit Tanenbaum作業系統2Ed

33. I/O 裝置 • Device Driver 驅動程式 • 在 kernel mode 執行（大部分） • 在 user mode 執行（少見） • 裝置暫存器 • 主機與 I/O 裝置溝通的媒介 • 對映到主機記憶體空間，不需要 I/O 指令 • 對映到 I/O port 空間，需要 I/O 指令 • Busy Waiting: 以迴圈持續讀取裝置狀態 • Interrupt（中斷）: 事件驅動 • DMA(Direct Memory Access) Tanenbaum作業系統2Ed

34. I/O 裝置 & 中斷 (a) Steps in starting an I/O device and getting interrupt (b) How the CPU is interrupted Tanenbaum作業系統2Ed

35. Bus 匯流排Pentium 系統匯流排架構 Tanenbaum作業系統2Ed

36. 作業系統概念 • Process 行程 • Deadlocks 死結 • Memory management 記憶體管理 • Input/Output 輸出輸入 • Files 檔案系統 • Security 系統安全 • The shell 使用者介面、殼層 Tanenbaum作業系統2Ed

37. Processes 行程 • A process is an instance of a program in execution. 執行中的程式 • Child process(子行程): created by its parent process • Interprocess communication: 行程間通訊 • Signal 信號(軟體中斷) • UID: user id(使用者識別碼) • GID:group id(群組識別碼) Tanenbaum作業系統2Ed

38. Processes 行程 • A process tree • A created two child processes, B and C • B created three child processes, D, E, and F Tanenbaum作業系統2Ed

39. Deadlocks 死結 (a) A potential deadlock. (b) an actual deadlock. Tanenbaum作業系統2Ed

40. Deadlock 死結 • P1索取R1,配置成功 • P2索取R2,配置成功 • P1索取R2,等待 • P2索取R1,等待 R1 4 1 P2 P1 2 3 R2 • 如何避免死結發生? • 如何知道系統中有死結? • 如何解開死結? Tanenbaum作業系統2Ed

41. Memory Management 記憶體管理 • Address Space: 定址空間 • 32位元CPU的定址空間: 232(4GB) • 64位元CPU的定址空間: 264(16EB) • 你的電腦有多少記憶體? • Virtual Memory虛擬記憶體 • 以硬碟存放記憶體中暫時不用的部分 • Linux: swap partition, swap file • Windows: swap file Tanenbaum作業系統2Ed

42. File system 檔案系統 File system for a university department Tanenbaum作業系統2Ed

43. UNIX 檔案系統掛載(mount) • Before mounting, • files on floppy are inaccessible • After mounting floppy on b, • files on floppy are part of file hierarchy Tanenbaum作業系統2Ed

44. 檔案系統名詞 • Root directory: 根目錄, 目錄樹狀結構的最頂層 • Home directory: 家目錄, 系統指派給使用者的預設活動空間, 使用者登入系統後看到的第一個目錄 • Working directory: 工作目錄, 程式執行時所在的目錄 Tanenbaum作業系統2Ed

45. 檔案和 I/O 的關係 • UNIX 系統把所有的 I/O 裝置都包裝成檔案 • Block special file: 區塊特殊檔, 以區塊為單位做 I/O • /dev/hdb2 第2顆 IDE 硬碟的第2個磁碟分割 • Character special file: 以字元為單位做 I/O • /dev/console 主控台 • Pipe 管道: 連接兩個行程, 行程間通訊 Tanenbaum作業系統2Ed

46. Interprocess communication 行程間通訊 Two processes connected by a pipe Tanenbaum作業系統2Ed

47. Security 安全性 • 機密資料 • 電子郵件 • 帳號, 密碼 • 資料檔案 • 存取權限 • UNIX 使用 rwx 位元 • ACL:access control list 存取控制清單 Tanenbaum作業系統2Ed

48. Shell 殼層 • 使用者與 OS 互動的介面 • UNIX • sh, csh, bash, tcsh, ksh, zsh • Windows • command.com, cmd.exe • I/O redirection 重新導向 • date > file • sort < inputdata > outputdata • ps -elf | grep httpd Tanenbaum作業系統2Ed

49. System Calls 系統呼叫 • 使用者程式與 OS 之間的溝通介面 • POSIX 國際標準 9945-1 • int count = read(fd, buffer, nbytes); • trap 指令將系統由使用者模式切換到核心模式 Tanenbaum作業系統2Ed

50. 系統呼叫read (fd, buffer, nbytes) 的11步 Tanenbaum作業系統2Ed