作業系統概論 Operating System Concepts 第二版 (2nd Edition) 賈蓉生 胡大源 林金池 編著

1. 作業系統概論 Operating System Concepts 第二版(2nd Edition) 賈蓉生 胡大源 林金池 編著

2. 第一章導讀(Introduction) • 1-1 簡介 • 1-2 本書主要內容 • 1-3 Java 系統程式 • 1-4 專有名詞索引 • 1-5 習作習題 • 1-6 光碟使用

3. 1-1 簡介 • 作業系統(Operating System) 是學習電腦的基礎課目，內容含及電腦系統之結構、執行管理、儲存管理、資料傳遞、網路應用、與保護安全等項目。在未來學習電腦的大道上，這些項目提供了一個輪廓，可令讀者胸有成竹地向前邁進。

4. 1-2 本書主要內容 • 本書內容概分七篇，內容包括概論、行程管理、儲存管理、輸入輸出、分散式系統、保護與安全、與應用系統。

5. 1-3 Java 系統程式 • 本書內容是人與機器間之介面--作業系統(Operating System)，其中有許多觀念的描述(Descriptions)、執行方法的演算(Algorithms) 等均需以一個眾所認同的語言型態來表示，本書採用具有物件導向意義(Object-Oriented Approach) 之Java語言。有關Java系統之架構，讀者可參閱本書第二十四章。

6. 1-4 專有名詞索引 • 為了幫助讀者整理專有名詞，本書編輯中文專有名詞索引約1,000個(如附錄D)，以筆劃查閱；英文專有名詞索引約1,000個(如附錄E)，以字母查閱。其中質量幾已涵蓋所有中英文專有名詞，足夠儲備讀者未來閱讀原文書籍或期刊的能力。

7. 1-5 習作習題 • 作業系統是學習電腦的基礎課目，也是各重點考試的必考科目，如升學考試、公職考試、甚或求職考試等。本書將各章節重點內容整理成各類考題，對準備考試有最全面性、深入性的幫助。有關習題答案，讀者可向碁峄圖資公司或作者以E-Mail直接索取。

8. 1-6 光碟使用 • 本書隨書附光碟一片，內容有Java安裝程式(System)、範例應用程式(Program)；另於出版書局附教學光碟一片，內容有教學投影(Ppt)、習題解答(Ex)、Java安裝程式(System)、範例應用程式(Program)。

9. 第一篇導論(Over View) • 作業系統(Operating) 是一組系統程式(System Program)，介於使用者(User) 與電腦硬體(Hardware) 之間，幫助使用者方便使用，監督電腦有效執行。 • 作業系統內容複雜，範圍龐大，為了讓讀者在深入研讀之前，有一粗略全盤概念的認識，本篇就基礎觀念、電腦系統結構、與作業系統架構先作介紹。

10. 第二章基礎概念(Introduction) • 2-1 簡介 • 2-2 大型電腦系統(Mainframe Systems) • 2-3 微型電腦系統(Microcomputer Systems) • 2-4 多處理器系統(Multiprocessor System) • 2-5 分散式系統(Distributed System) • 2-6 習題(Exercises)

11. 2-1 簡介 • 作業系統(Operating System) 是一組系統程式，用於支配(manage) 電腦本機硬體及週邊設備等資源之使用，並促進使用者方便使用(conveniently)、有效使用(efficiently)。

12. 圖2-1

13. 2-2 大型電腦系統(Mainframe Systems) • 通常大型電腦具有強大綜合性的功能(如IBM370)，可同時執行單一工作(Job)、或多個工作，因不同之需求，作業系統可類分為批次系統(Batch Systems)、即時系統(Real-Time Systems)、多工系統(Multi-programmed Systems)、與分時系統(Time-Sharing Systems) 等。

14. 2-3 微型電腦系統(Microcomputer Systems) • 微型電腦有：個人桌上型電腦系統(PC或稱Desktop)、筆記型電腦系統(Notebook或稱Laptop)、手持式電腦系統(Handheld) 等。 • PC微型電腦快速發展於1970s年代，與大型電腦(Mainframe) 比較，微型電腦硬體資源較少但便宜；使用者單純，通常是由一個使用者霸佔使用。因此其作業系統之設計自與大型電腦不同。

15. 2-4 多處理器系統(Multiprocessor System) • 一台電腦一個CPU處理器(Central Processing Unit)，既使是新型電腦亦多是如此配置，擁有一個主CPU處理器。一台電腦若擁有多個處理器，其作業系統將對應於多處理器系統(Multiprocessor System)， • 多處理器系統可類分為對稱多處理器系統(Symmetric Multiprocessing)與非對稱多處理器系統(Asymmetric Multiprocessing)。

16. 圖2-4-1

17. 圖2-4-2

18. 2-5 分散式系統(Distributed System) • 個人電腦有其獨立的處理器與硬體裝置資源，應用網路連接，將散置各處的電腦藉由分散式作業系統合作執行指定的工作，如此安排是謂 “分散式系統(Distributed System)。

19. 圖2-5-1

20. 圖2-5-2

21. 2-6 習題(Exercises) • 1、何謂作業系統？ • 2、一套完整之電腦系統可概分那四組區塊？ • 3、何謂批次系統(Batch Systems)？ • 4、何謂即時系統(Real-Time Systems)？ • 5、何謂多工系統(Multiprogrammed Systems)？ • 6、何謂分時系統(Time-Sharing Systems)？ • 7、微型電腦有那些？ • 8、多處理器的優點為何？ • 9、何謂分散式系統(Distributed System)。 • 10、網路應用範圍可分為幾類？ • 11、網路之連接技術可分為幾類？ • 12、分散式系統在功能分配上可類分為幾類？

22. 第三章電腦系統結構(Computer SystemStructure) • 3-1 簡介 • 3-2 起始操作(Start Running) • 3-3 中斷(Interrupt) • 3-4 輸入輸出架構(I/O Structure) • 3-5儲存架構(Storage Structure) • 3-6硬體保護(Hardware Protection) • 3-6-1 輸入輸出保護(I/O Protection) • 3-6-2 記憶體保護(Memory Protection) • 3-6-3 中央處理器保護(CPU Protection) • 3-7網路架構(Network Structure) • 3-7-1 區域網域(Local-Area Network) • 3-7-2 廣域網域(Wide-Area Network) • 3-8 習題(Exercises) • 3-9範例系統程式(Programming) • 3-9-1中斷例外處理(模擬3-3節)

23. 3-1 簡介 • 在我們深入探討電腦作業系統之前，有些關於電腦的基本系統結構須先有一概念性的了解，本章將粗略討論電腦系統結構，內容如起動(StartUp)、輸入/輸出(I/O)、儲存(Storage) 等，及計算機結構(Computer Architecture) 與作業系統(Operating System)間之互動架構。

24. 3-2 起始操作(Start Running) • 當開啟電腦的同時，即啟動 “初始程式(Initial Program 或稱Bootstrap Program” )，為求快捷，此程式特置於唯讀記憶體中(ROM Ready-Only Memory)，初始啟動CPU、裝置控制器(Device Controllers)、傳導器(Adapters)、與記憶體(Memory)。初始程式將作業系統(Operating System) 載入記憶體作核心運行(Kernel)。

25. 圖3-2

26. 圖3-3

27. 3-4 輸入輸出架構(I/O Structure) • 當某裝置要求執行資料輸入輸出(I/O) 時，CPU載入該裝置控制器內之特殊功能暫存器，由作業系統導引中斷(Interrupt) 執行資料的輸入輸出。

28. I/O中斷可類分為同步I/O(Synchronous) 如圖3-4-1、與非同步I/O(Asynchronous) 如圖3-4-2 圖3-4-1 圖3-4-2

29. 圖3-4-3

30. 3-5儲存架構(Storage Structure) • CPU是電腦的執行中樞，直接對主記憶體(Main Memory) 隨機存取(random access)資料，典型的指令執行週期(Instruction Execution Cycle) 如范紐曼(Von Neumann) 所提出之執行架構(如圖3-5-1)

31. 圖3-5-1

32. 圖3-5-2

33. 3-6硬體保護(Hardware Protection) • 一台電腦硬體受傷害的原因來自電腦本身的機會不大，多是來自人為程式的錯誤，受傷害的硬體亦多是發生於I/O系統、記憶體、或CPU。因此所謂電腦硬體保護Hardware Protection) 就是摒除人為程式的錯誤，而保護的對象為： (1) I/O系統(I/O)、(2) 記憶體(Memory)、(3) 中央處理器(CPU)。

34. 3-6-1 輸入輸出保護(I/O Protection) • 使用者(Users) 可利用輸入輸出的機會，傳遞非法指令(illegal Instructions)、或資料(Data)，非法進入系統程式(Operating System) 領域執行破壞行為，為了避免如此傷害行為，所有的輸入輸出指令(I/O Instructions) 均定義納入系統模式(System Mode)。

35. 圖3-6-1

36. 3-6-2 記憶體保護(Memory Protection) • 當使用者之工作程序進入記憶體後，作業系統以兩個暫存器鎖定記憶體之使用範圍，基底暫存器(Base Register)存置起始地址(Address)；限制暫存器(Limit Register)存置範圍距離，如圖3-6-2

37. 圖3-6-2

38. 3-6-3 中央處理器保護(CPU Protection) • CPU的保護機制是在設定CPU之使用時間，作業系統對每一進入CPU之程式作使用時間設定，超過該設定時間即判定為非法無限迴圈，從CPU踢出該程式，執行CPU保護。

39. 3-7網路架構(Network Structure) • 多台電腦以網路連通，相互支援程序執行與檔案存取，是謂 “網路架構(Network Structure)。常見的網路架構有：小範圍區域網域(LAN Local-Area Network)、與大範圍廣域網域(WAN Wide-Area Network)。

40. 3-8 習題(Exercises) • 1、何謂核心運行(Kernel)？ • 2、何謂事件中斷(Event Interrupt)？ • 3、中斷表(Table of Interrupt) 與中斷程序之關係為何？ • 4、何謂同步I/O中斷？ • 5、何謂非同步I/O中斷？ • 6、記憶體直接存取方法(DMA) 的使用條件為何？ • 7、主記憶體與CPU的關係為何？ • 8、主記憶體有那些無法克服的困難？ • 9、何謂快取記憶體(Cache)？ • 10、硬體傷害常發生在那些裝置上？ • 11、何謂雙模操作法？ • 12、如何作I/O保護？ • 13、如何作記憶體保護？ • 14、如何作CPU保護？ • 15、何謂區域網域(LAN)？ • 16、何謂廣域網域(WAN)？

41. 第四章 作業系統架構(Operating System Structure) • 4-1 簡介 • 4-2 系統組成要件(System Components) • 4-2-1行程管理(Process Management) • 4-2-2主記憶體管理(Main Memory Management) • 4-2-3檔案管理(File Management) • 4-2-4輸入輸出系統管理(I/O System Management) • 4-2-5輔助記憶體管理(Secondary Storage Management) • 4-2-6網路連通管理(Networking Management) • 4-2-7保護系統管理(Protection Management) • 4-2-8介面指令管理(Shell Command Interpreter Management) • 4-3 作業系統服務(Operating System Services) • 4-4 系統呼叫(System Calls) • 4-5 系統程式(System Programs) • 4-6 應用程式(Application Programs) • 4-7 系統架構(System Structure) • 4-7-1 簡易架構(Simple Structure) • 4-7-2 階層架構(Layered Approach) • 4-7-3 微核心(Microkernel) • 4-7-4 模組架構(Modules) • 4-8 虛擬機器(Virtual Machines) • 4-9 系統設計與編寫(System Design and Implementation) • 4-10 檢選系統(System Generation) • 4-11 開機系統(System Boot) • 4-12 習題(Exercises)

42. 4-1 簡介 • 作業系統是一個非常龐大且複雜的程式，如果沒有一系列井然有序的描述，將不易了解，本章就其組成要件、服務、程式架構、系統程式、應用程式、設計規範、開機系統等，作輪廓描述，讓讀者先有清晰概念，本書將於爾後各章節詳細敘述。

43. 4-2 系統組成要件(System Components) • 作業系統(Operating System) 即龐大又複雜，本節就其功能性(如圖4-2-1) 將系統類分成程序管理(Process Management)、主記憶體管理(Main Memory Management)、檔案管理(File Management)、輸入輸出管理(I/O Management)、輔助記憶體(Secondary Storage Management)、網路連通管理(Networking Management)、保護管理(Protection Management)、指令解釋管理(Command Interpreter Management)，並作概念描述。

44. 圖4-2-1

45. 4-3 作業系統服務(Operating System Services) • 電腦能有效執行，有賴於作業系統的有效運行，作業系統不僅要提供使用者最佳的服務(Services)，也要對作業系統自己提供最佳的可信度。

46. 4-4 系統呼叫(System Calls) • 當行程(Process) 衝撞系統時，行程要求系統呼應執行是謂 “系統呼叫(System Call)”。除了低階語言(如組合語言Assembly Language) 與少數高階語言之某些狀況外，為了保護系統安全，一般高階語言均不被允許直接(Directly)作系統呼叫。

47. 圖4-4-1

48. 圖4-4-2

49. 圖4-4-3

50. 4-5 系統程式(System Programs) • 回憶圖2-1，最底層是電腦硬體(Hardware)，其次是作業系統(Operating System)，再其次即是系統程式(System Programs) 與應用程式(Application Programs)。系統程式(System Programs) 提供使用者程式(User’s Program) 一個良好的執行環境，亦即使用者與系統程式間的介面(Interface)，可藉系統呼叫(System Call) 或其他方式執行