1、第1章 引 言n1.1 什麼是作業系統n1.2 作業系統型式n1.3 作業系統執行環境n1.4 作業系統回顧與展望n1.5 作業系統啟動過程簡介1.1 什麼是作業系統 作業系統尚未有一個被普遍接受的定義。但通常認為：作業系統既是電腦系統資源的管理者，又是電腦系統使用者的服務者。資源管理以提高資源利用率為目標，以給使用者提供盡可能多的服務項目和最大的便利為宗旨。作業系統的基本功能n處理機(processor)管理n儲存管理指分配、回收與保護儲存單元n設備管理n檔案管理n作業管理、通訊事務管理n處理機(processor)管理指作業系統根據一定的排程演算法分配處理機。在單處理機系統中，處理程序(p
2、rocess)管理也屬於這一範圍。n儲存管理指分配、回收與保護儲存單元每一程式在啟動執行前必須先載入主記憶體，作業系統應當根據程式的大小和目前主記憶體空間的實際情況，為每一程式分配使之能執行的必要的儲存空間。n設備管理主要是對設備進行分配、回收與控制。n檔案管理涉及檔案儲存空間的分配與回收、檔案目錄管理、檔案讀寫與保護等。n作業管理、通訊事務管理作業系統提供給使用者的最直接的服務。一個作業從進入系統到執行結束，一般要經過收集、執行、完成三個階段。相對應地，作業系統提供作業註冊、作業排程、作業終止等服務。作業系統的基本特徵n並行性(concurrence)n共享(sharing)n虛擬(virt
3、ual)n不確定性(nondeterministic)n可重構性(reconstruction)n並行性(concurrence)是指兩個或兩個以上的處理程序的執行在時間上有重疊，即一個處理程序的第一個操作是在另一個處理程序的最後一個操作完成之前開始。n共享(sharing)是指系統中的硬體和軟體資源能為多個使用者共同使用。根據資源內容，通常有互斥共享和同時共享兩種方式。n虛擬(virtual)本質含義是把物理上的一個變成邏輯上的多個。n不確定性(nondeterministic)在作業系統控制下的多個作業的執行順序和每個作業的執行時間是不確定的。n可重構性(reconstruction)支援
4、對電腦系統可靠性和組態動態化的考慮。1-1 作業系統與硬體、軟體的關係1.2 作業系統型式 個人電腦(PC)上配置的作業系統大多屬於這種型式，它提供相互連線的功能，使用者介面特別友好。目前單使用者作業系統採用了很多傳統作業系統技術，例如虛擬儲存記憶體、並發、多工等。網際網路、行動通訊功能已成為它的一個重要組成部分。常見的單使用者作業系統有Windows 95，OS/2等。1.2.1 單使用者作業系統1.2.2 批次處理系統 在這種作業系統控制下，使用者作業成批地進入、處理、離開系統。作業與作業之間的轉換執行不需要使用者的干預。多元程式即在主記憶體內同時有多個相互獨立的作業在單CPU情況下交替地
5、執行或在多CPU情況下並行執行。批次處理系統的優點是提高了系統資源的利用率和作業的完成率，缺點是與使用者無互動性。它主要應用於科學計算的大型電腦上。1.2.2 批次處理系統 在這種作業系統控制下，使用者作業成批地進入、處理、離開系統。作業與作業之間的轉換執行不需要使用者的干預。多元程式即在主記憶體內同時有多個相互獨立的作業在單CPU情況下交替地執行或在多CPU情況下並行執行。批次處理系統的優點是提高了系統資源的利用率和作業的完成率，缺點是與使用者無互動性。它主要應用於科學計算的大型電腦上。1.2.3 分時系統 它一般用於系統中連接多個終端機，使用者透過終端機使用中央電腦系統。它為每個使用者提供
6、適當大小的時間間隔，採用輪流的方法為使用者服務。若能保證足夠快的回應時間並提供使用者互動交談功能，則每個使用者都感覺到好像獨佔使用一台電腦一樣。在分時系統中必須注意回應時間的改善。採用可重新載入程式碼和虛擬儲存記憶體的技術都能減少資料從輔助儲存體讀入與寫出所耗費的時間，從而使CPU有更多的時間去處理使用者作業，回應時間能顯著縮短。UNIX系統是當今著名的分時作業系統。1.2.4 即時系統 在這種作業系統的控制下，電腦系統能及時地回應外部事件的請求，在限定的時間內完成對該事件的處理，並有效地控制所有即時設備和即時作業正確地被觸發執行。但實際的系統往往同時兼具批次處理、分時處理、即時處理三種或其中
7、兩種特性。在此情況下，批次處理作業往往作是做為後處理之角色。1.2.5 網路作業系統 在電腦網路環境中的各台電腦都各自擁有自己的作業系統，而網路作業系統把它們有組織地連接起來，用統一的方法管理整個網路中的共享資源。因此，網路作業系統除了具備儲存管理、處理機管理、設備管理、資訊管理和作業管理外，還應具有高效可靠的網路通訊能力和多種網路服務功能。網路使用者只有透過網路作業系統才能享受網路所提供的各種服務。1.2.6 分散式作業系統 分散式電腦系統分為兩類：一類是建立在多元處理機上的緊密耦合分散式系統；另一類是建立在電腦網路基礎之上，稱為鬆散耦合分散式系統。分散式作業系統是為分散式電腦系統配置的作業
8、系統。它與網路作業系統相比更著重於工作的分散性，即把一個大工作分為若干個子工作，分派給P的處理機去執行。它有強健的分散式演算法則和動態平衡各處理機間負載的能力。它是網路作業系統的更進階形式，具有強大的生命力。最近網路電腦與高速網路的快速發展，商品化的分散式作業系統出現是必然的趨勢。1.3 作業系統執行環境 電腦硬體所提供的支援構成現代作業系統的硬體環境，其中最為重要的是中斷機制。事件引發中斷，中斷產生後必須加以處理，作業系統由此被驅動。作業系統是一個眾多程式模組集合而成。n第1類是在系統起動時便與使用者程式一起並行運作的，如作業管理程式、輸入輸出程式等。它們由時間中斷、外部中斷所驅動。n第2類
9、是直接面對使用者態(亦稱常態或目態)程式的，這是一些“被動”地為使用者服務的程式。n第3類是那些既不主動執行也不直接為使用者程式叫用的、是隱藏在作業系統內部的、由前兩類程式呼叫的模組。根據執行環境，這些程式模組大致分為三類1.4 作業系統回顧與展望 1946年第1台電腦問世，當時並沒有所謂的作業系統在機器上運行，人們用手工操作的方法操控電腦。一般認為，新一代作業系統應是智慧型的。所謂智慧，一方面是指在作業系統的設計過程中以知識為基礎，要有知識擷取和學習功能並能建立相對應的知識庫和推理機制；另一方惇O建立更加友好、更加方便的智慧型人機介面。回顧作業系統的發展歷史，清楚地看到，電腦硬體系統架構的革新和使用方便性的目標，是作業系統發展的動力，把握住這一點，就能掌握現代作業系統發展的方向。1.5 作業系統啟動過程簡介n執行ROM中的自舉(bootstrapping)程式，n作業系統本身的載入程式(loader)取得控制權n把控制權交給作業系統的啟動程式(如UNIX中的/etc/init)n啟動程式對系統作必要的檢查(如UNIX中執行fsck以保證根盤是好的)n設定系統參數的初值，n建立連線終端處理程序(在UNIX中由/etc/rc建立/etc/getty終端處理程序)n啟動程式把控制權轉給CPU排程程式 作業系統的啟動是比較複雜的，隨著版本或電腦類型而不同。大體上說，有以下過程：
