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1、電腦作業系統 第一章 簡介1第一章 簡介n什麼是作業系統 u電腦系統的組成要素 u使用者觀點 u系統觀點 u系統目標 u系統特徵遷移n單節點系統 n多節點系統 n特殊目的系統 n計算環境 n摘要 2什麼是作業系統n讓使用者妥善地使用軟硬體資源的系統程式 n電腦系統的四個組成要素 u硬體設備 u作業系統 u應用程式 u使用者 n作業系統負責控制並協調分配硬體資源給各個使用 者，管理系統內的 u硬體 u軟體 u資料 3電腦系統的組成要素 硬體設備作業系統瀏覽器 文字處理程式 編譯器 資料庫 系統與應用程式使用者1 使用者2使用者3使用者n4使用者觀點 n個人電腦作業系統的設計考量 u使用上的便利性
2、 u執行的效能 n大型電腦或迷你電腦作業系統的設計考量 u提高系統中資源的使用率 u使用者程式不會相互影響n手持式系統作業系統的設計考量 u使用的方便性 u省電 u提高系統效能 5系統觀點 n作業系統是電腦上的資源分配者，負責管理 並有效且公平地分配資源。n作業系統是一個控制程式，負責 u管理程式的執行 u預防錯誤或不正常地使用電腦 u注重 I/O 裝置的操作與控制 n作業系統創造出一個便利的系統使用環境， 是將控制硬體、協調軟體及分配系統資源的 函式集合而成的程式。6系統目標 n個人電腦作業系統的主要目標是讓使用者可 以方便地使用系統。n大型電腦作業系統的主要目標是讓系統能夠 更有效率地運作
3、。 n圖形使用者界面使得作業系統在執行的效率 之外更考慮了使用上的方便性。 n作業系統與電腦結構的發展有著密切關係， 而且是互相影響的，如 u快取機制 u多媒體晶片 7系統特徵遷移 n電腦系統的特徵由純硬體系統，到有編譯器 產生應用程式，再到批次系統與分時系統， 甚至發展出分散式系統與容錯系統。n有些以往只有在大型電腦上才有的功能，已 經逐漸地在迷你電腦、微型電腦、以及手持 式電腦上發展，如 MULTICS 作業系統。 8作業系統特徵遷移示意圖 編譯器 無軟體交談式網路無軟體 編譯器 分時 多使用者 多處理器 常駐監控常式 網路 容錯叢集UNIX無軟體 編譯器 分時 多使用者 分散式系統 批次
4、 多處理器常駐監控常式 網路 容錯UNIX1950 1960 1970 1980 1990 2000MULTICS大型電腦迷你電腦個人電腦 無軟體 編譯器 交談式 多處理器多使用者網路 UNIX手持式電腦9第一章 簡介n什麼是作業系統 n單節點系統 u大型電腦系統 u個人電腦系統 u多處理器電腦系統n多節點系統 n特殊目的系統 n計算環境 n摘要 10單節點系統n一般的電腦系統都是屬於單節點系統，如 u大型電腦系統 u個人電腦系統 u多處理器電腦系統n為了充分使用系統資源、提高 CPU 的使用 率，單節點系統中發展出了批次系統、多元 程式系統與分時系統等技術。11大型電腦系統 n批次系統 u為
5、了要加速電腦處理的速度，將性質接近的 工作集合成一批次一次執行。 n多元程式系統 u當 CPU 所執行的工作進入等待狀態時，切換 到記憶體中的其他工作繼續執行。 n分時系統 u分時系統也稱為多工系統，CPU 在記憶體中 多個工作之間快速地切換，使用者可以與每 個執行的程式進行互動。12批次系統記憶體示意圖 作業系統使用者程式區域13多元程式系統記憶體示意圖 工作1作業系統工作2工作314個人電腦系統 n個人電腦作業系統受到了許多大型電腦作業系統的 影響，也繼承了許多大型電腦的技術，包括了 uMicrosoft Windows uApple Macintosh uLinux uIBM OS/2
6、等n由於微型電腦的價格低廉，大部分使用者都有自己 的個人電腦，所以 uCPU 的使用率已不再是主要考量。 u而是如何讓使用者更方便地使用電腦系統。15多處理器電腦系統 n多處理器系統具有多顆 CPU，這些 CPU 共享系統中 的匯流排、時脈、記憶體以及週邊裝置等。n多處理器系統有三大優點： u提高產量 u降低成本 u提高可靠度 n多重處理系統中的每個處理器都執行一份相同的作 業系統。n非對稱多重處理使用主從架構，每個處理器有不同 的工作，由主處理器負責控制整個系統，並分配工 作給其他處理器。 16對稱多重處理架構圖 CPUCPUCPUCPU記憶體I/O 裝置匯流排17第一章 簡介n什麼是作業系
7、統 n單節點系統 n多節點系統 u分散式系統 u叢集式系統n特殊目的系統 n計算環境 n摘要 18多節點系統n多節點系統中不只有一個節點，它可以將許 多電腦集合在一起而提高系統的計算能力， 或是可以共享系統中的資源。 u分散式系統 u叢集式系統 19分散式系統n分散式系統就是架構在網路之上，藉由網路 的連接共享資源以提高系統的計算效能，並 提供使用者功能更豐富的服務。n分散式作業系統在各電腦之間的溝通較為緊 密，使用者不需要知道對方的存在就可以彼 此分享資源，感覺上像是使用同一部電腦上 的資源。 20分散式系統 (續)n分散式系統可以分為 u主從(客戶/伺服)系統 F伺服端會執行客戶端所發出的
8、要求。 u同儕系統 F系統不同節點間的角色是對等的，各節點不 僅要求服務，也提供服務。21客戶/伺服系統架構圖 客戶端客戶端客戶端客戶端網路伺服端22叢集式系統 n叢集式系統 u利用區域網路緊密連接。 u共享系統中的儲存裝置。 u使用多個 CPU 進行運算。 u包括對稱式叢集、非對稱式叢集、平行叢集 和廣域網路叢集等。n叢集運算是用來提高系統的可用度，也就是 系統隨時可供使用的程度，當叢集系統的其 中一個節點發生故障，可以將故障節點上所 執行的程式重新在其他節點上執行。 23第一章 簡介n什麼是作業系統 n單節點系統 n多節點系統 n特殊目的系統 u即時系統 u手持式系統 u嵌入式系統n計算環
9、境 n摘要 24特殊目的系統n特殊目的系統與一般用途的系統不同，專門 用來處理特定的工作。 u即時系統 u手持式系統 u嵌入式系統 25即時系統 n即時系統的工作除了要正確地完成，還要符合時間 限制，經常被用於控制裝置的系統。 u控制科學實驗的系統、多媒體系統、醫學影像系統、 汽車引擎油路系統、家用裝置控制器、武器系統等。n一個即時系統會有詳細定義的時間限制，系統必須 要在所定義的限制之內完成運算。 u硬即時系統保證所執行的工作一定會在時間之內完成 ，在超過時間限制之後會有很嚴重甚至負面的後果。 u軟即時系統中的即時行程有較高的優先權，在超過時 間限制之後，雖然執行的價值降低許多，即時行程還
10、是可以繼續執行。26手持式系統 n手持式系統 u帶來高度的便利性與可攜性。 u包括了個人數位助理與行動電話等。 u在設計上較受限於硬體的設計，只有少量的 記憶體空間、較慢的處理器、以及小型的顯 示螢幕等。 u手持式系統的體積希望越小越好。n作業系統必須有效率地應用這些有限的系統 資源，並設法降低所消耗的電力，以發揮最 大的功能。27嵌入式系統 n嵌入式系統是指由一些電腦硬體、軟體與其 他機械裝置所組合、並內建於任何產品中的 電腦或是微電腦系統，或是一個大型系統中 的一個元件，主要用來執行特定的工作。 u如冷氣機、電梯、儀表板、鍵盤、滑鼠等。 u通常用來執行特定功能。 u以微電腦與週邊設備為核心
11、。 u有嚴格的時間限制與穩定度要求。28第一章 簡介n什麼是作業系統 n單節點系統 n多節點系統 n特殊目的系統 n計算環境 u傳統式計算 u網際網路式計算 u嵌入式計算n摘要 29計算環境n作業系統由大型電腦的批次系統到分時系統 ，再發展到個人電腦和手持式電腦，甚至是 分散式系統或是嵌入式系統，每種作業系統 適用於不同的計算環境。 u傳統式計算 u網際網路式計算 u嵌入式計算30傳統式計算 n網際網路與其他的技術的高度發展，拓展了 傳統式計算的範圍。 u遠端存取的技術已經成熟，可以架設或是使 用各種網路服務。 u網際網路式計算、手持式電腦和個人電腦同 步以及無線上網的功能，提高系統的可攜性 。 31網際網路式計算 n透過瀏覽器與網際網路伺服器進行的就是網 際網路式計算。 n隨著網際網路的越來越普遍，個人電腦、工 作站、手持裝置、PDA、甚至是手機都可以 用來當作連線上網的工具。 n網際網路式計算也帶來了一些新裝置與技術 的發展，現今的作業系統都已內建網路功能 。 32嵌入式計算 n嵌入式電腦 u是目前電腦系統中佔有比率最高的。 u多執行特定的嵌入式作業系統，但缺乏較先 進的系統功能，只有極少，甚至完全沒有使 用者介面。 u可以是能夠單獨運作的裝置或者是網路上的 一個裝置。 u可以達到家庭電腦化。33
