Operating System Principles 作業系統原理 CHAPTER 2 系統結構

1. Operating System Principles作業系統原理CHAPTER 2 系統結構 著者 ABRAHAM SILBERSCHATZ Yale University PETER BAER GALVIN Corporate Technologies GREG GAGNE Westminster College 譯者 駱詩軒 駱詩富 鄧俊修

2. CHAPTER 2 系統結構 2.1 作業系統服務 2.2 使用者作業系統介面 2.3 系統呼叫 2.4 系統呼叫的類型 2.5 系統程式 2.6 系統的設計和製作 2.7 作業系統結構 2.8 虛擬機器 2.9 作業系統建立 2.10 系統載入

3. 2.1 作業系統服務 • 使用者介面 • 命令行介面、批次介面、圖形使用介面 • 程式的執行 • 系統必須把程式載入記憶體並執行它 • 輸入和輸出作業 • 檔案系統的使用 • 通信 • 錯誤的偵測 • 資源的分配 • 使用量統計 • 保護和安全

4. 2.1 作業系統服務 • 資源的分配 • 在同時有許多使用者或許多工作執行的時候，必須將電腦資源分配給他們 • 使用量統計 • 紀錄使用者使用多少及哪一種電腦資源 • 保護和安全 • 在多重使用者電腦系統中存放資料的人可能希望控制該資料的使用。 • 當許多互無關連的工作一起執行的時候，任何一個使用者都不該干擾其他使用者。

5. 2.2 使用者作業系統介面 • 2.2.1 命令直譯程式 • 有些作業系統在核心中包含了命令直譯程式。而其它作業系統如 Windows XP和UNIX將命令直譯程式當作一個特殊程式，這個特殊程式在一項工作啟動時或使用者最初登錄時 (在交談式系統)執行。選擇系統上多個命令直譯程式，這個命令直譯程式稱為外殼(shells)。例如，在UNIX和 LINUX系統有幾個不同外殼，使用者可以選擇包括Bourne shell, C shell, Bourne-Again shell和Korn shell等等。 • 2.2.2 圖形使用者介面, GUI • 一個GUl允許提供以滑鼠為基礎的視窗和表單系統為介面。當移動滑鼠以便將滑鼠指標定位在螢幕的影像或圖像(icons)，GUI提供桌面(desktop)，這些影像代表程式、檔案、子目錄和系統功能。根據滑員指標的位置，按下滑貝的按鍵，可以呼叫程式、選擇檔案或目錄(即稱foIder)，或拉下一個含有命令的表單。

6. 2.3 系統呼叫 • 系統呼叫(system calls)提供一個由作業系統服務的介面。這類呼叫一般以C或C++寫成的常式，雖然低階工作(例如，硬體必須直接存取的工作)可能需要以組合語言指令來寫。

8. Standard C Library Example • C program invoking printf() library call, which calls write() system call

10. 2．4 系統呼叫的類型 行程的控制(process control) • 正常結束，中止執行(end, abort) • 載入，執行(load, execute) • 建立行程，終止行程(create process, terminate process) • 獲取行程屬性，設定行程屬性(get process attributes，set process attributes) • 等待時間(wait for time) • 等待事件，顯示事件(wait event, signal event) • 配置及釋放記憶體空間(allocate and free memory) 檔案的管理(File management) • 建立檔案，刪除檔案(create file, delete file) • 開啟，關閉(open,Close) • 讀出，寫入，重定位置(read, write, reposition) • 獲取檔案屬性，設定檔案屬性(get file attributes, set file attributes)

11. 裝置的管理(Device management) • 要求裝置，釋回裝置(request device, release device) • 讀出，寫入，重定位置(read, write, reposition) • 獲取裝置屬性，設定裝置屬性(get device attributes, set device attributes) • 遇輯上地加入或移去裝置(logically attach or detach devices) 資訊維護(Information maintenance) • 取得時間或日期，設定時間或日期(get time or date, set time or date) • 取得系統資料，設定系統資料(get system data, set system data) • 取得行程、檔案或裝置的屬性(get process, file, or device attributes) • 設定行程、檔案或裝置的屬性(set process，file，or device attributes) 通信(communication) • 建立，刪除通信連接(create, delete communication connection) • 傳送，接收訊息(send, receive messages) • 傳輸狀況訊息(transfer status information) • 連接或分離遠程裝置(attach or detach remote devices)

12. 2.5 系統程式 • 檔案的處理 : 這些程式可以建立、刪除、拷貝、重新命名、列印、傾印、列出 和一般地操作檔案及目錄。 • 狀態資訊 : 有些程式會向作業系統詢問日期、時間、可用的記憶體或磁碟空 間、使用者數量或其它類似的狀態資訊。其它則較複雜，提供詳細的效能、登錄和除錯訊息。這類程式經格式化之後送到終端機或其它輸出裝置或檔案或者以視窗的圖形使用者介面顯示。有些系統也支援用來儲存和取回配置訊息的登錄( registry)。 • 檔案的修改 : 許多本文編輯程式在產生和修改存放在磁碟或其它儲存體中的檔案內容時非常有幫助。可能以特殊命令來尋求本文內容或完成本文的轉換。 • 提供程式語言: 編譯程式、組譯程式、除錯程式和普通程式語言的直譯程式 • 程式的載入與執行 : 一旦某個程式組譯或編譯好之後，它必須載入記憶體中以 便執行。系統可以提供絕對載入程式、可重新定位載入程式、連結編修程式和重疊載入程式來執行載入的工作，並需要高階語言及機器語言的除錯系統。 • 通信 : 這些程式提供產生虛擬連接於行程、使用者及不同電腦系統之間的功 能。它們允許使用者傳送訊息到其它的螢幕上，瀏覽網頁，傳送電于郵件，遠 端登錄或者從某一機器傳送檔案至另一機器。

13. 2.6 系統的設計和製作 • 2.6.1 設計目標 • 設計一個作業系統的第一個問題是定義系統目標及規格，系統設計很明顯的受到硬體的選擇與系統類型成批作業 (batch)、分時作業(time shared)、單一使用者、多重使用者、分散式系統、即時(real time)或一般目的(general purpose) 的影響。 • 需求可以分成兩個基本類: 使用者目的及系統目的。 • 使用者目的: 系統必須便於使用、容易學習、容易使用、可靠、安全及快速。 • 那些設計、建立、維護、甚至操作作業系統的人: 系統應該很容易設計、製作、維護、更具有彈性、可靠、沒有錯誤及有效率。 • 這些需求在系統設計中並不是非常有用，因為如何達成這些目標沒有一般性的定論。 • 一個作業系統的規格訂定與設計是一個高創作性的工作，軟體工程就是這些原則的理論基礎。

14. 2.6.2 方法與策略 • 一個重要的原則是從方法 (mechanism)中作策略(Policy)分離。方法決定如何做某些工作，相對的，策略決定做什麼事。 • 透過計時器來保護CPU的方法，決定給予一個特定使用者計時器的長短設定，就是一種策略的決定。 • 策略與方法分開對於提高作業系統的彈性非常重要。策略可能因時或因地而改變，如果採用一般性的方法，則依個策略上的改變，只需重新定義某些系統的參數。

15. 2.6.3 製作 • 傳統上，作業系統是由組合語言寫成的。然而，現在已經不完全這樣做，作業系統現在可以用較高階的語言寫成，例如C或C++。 • 使用高階語言或是系統製作語言來製作來製作作業系統的優點，程式可以更快的寫好、更精簡、更容易了解和偵錯。而且容易移轉到其他 硬體上。 • MS-DOS 是使用Intel 8088的組合語言所寫成，所以只能再Intel家族的CPU使用。 • Linux 作業系統大部分是用C語言撰寫，所以可以用在不同的CPU使用。 • 使用較高階語言製作作業系統唯一缺點，是降低速度和增加儲存需求。 • 現在的編譯器可以完成非常複雜的分析和複雜的最佳化來產生非常好的碼。 • 主要的性能改進，是由較好資料結構與演算法則所造成，而非單獨由優越的組合語言碼所達成。 • 小部分的程式碼是高性能的關鍵，記憶體管理及CPU排班可能是最關鍵的常式。 • 監督系統的性能，標示出瓶頸。

16. 2．7 作業系統結構 • 2.7.1 簡單的結構

17. 2.7.2 分層方法 • 分層方式最主要的好處是結構簡單和除錯。層次選定之後，每一個層次只能使用較低層的功能與服務。這種方式更容易做系統的除錯與驗證。第一層改正時，不必考慮系統的其餘部份，因為根據定義，它只甩了基礎的硬體 (假設它是正確的)去完成它的功能。一旦第一層改正後，在第二層的工作可以假設它的功能正確。在特定層次除錯時，如果發現錯誤，我們可以知道錯誤必定在那一層，因為在它底下的層都已改正。如此一來，當系統分層時，系統的設計與製作都可以簡化。

18. 2.7.3 微核心 • 在 1980年代中期Carnegie Mellon大學的研究人員發展出一套叫做Mach的作業系統，Mach使用微核心 (microkernel)的技術將核心模組化。這種方法藉由移去核心所有非必要的元件將作業系統結構化，並且改以系統和使用者層次的程式來製作。 • 移去核心所有非必要的元件將作業系統結構化，並且改以系統和使用者層次的程式來製作 • 經由訊息傳遞 (message passing) 提供使用者模組之間的通訊。 • 優點 • 作業系統容易擴展 • 作業系統比較容易由一個硬體設計轉移到另一個硬體設計 • 更安全及實用

19. 2.7.4 模組 • 目前作業系統最好的設計方法是使用物件導向程式規劃技術來產生一個模組核心。 • 核心有一組外殼元件而且在啟動時間及執行時間動態的連接額外服務。

20. 2.8 虛擬機器 • 虛擬機器基本觀念是將單一電腦硬體 (CPU、記憶體、磁碟機、網路介面卡等等)想像成幾個不同的執行環境，因此產生了每一個獨立執行環境在自己私人電腦執行的幻覺。

21. 2.8.1 製 作 • 虛擬機器觀念非常有用，但它製作起來相當困難。困難是在於提供與實際機器完全一樣的複製。要記住的是實際機器有兩種模式 (mode):使用者模式和核心模式。 • 虛擬機器軟體可以在核心模式中執行，因為它是作業系統。虛擬機器自己只可以在使用者模式中執行。就像實際機器有兩個模式一樣，所以虛擬機器也必須是如此。

22. 2.8.3 範例

23. 2.9 作業系統建立 • 使用那一種CPU? 設立那些選擇項 (擴充指令集、浮點小數運算等等)?如果 是多元CPU，每個CPU都必須介紹。 • 有多少記憶體可以使用?有些系統會藉由一個接著一個地參考記憶體位置直到 一個 "違法位址"的錯誤產生來自己決定這個值。這個處理程序定義最後合法 的位址以及可用記憶體的數量。 • 什麼裝置可以使用? 系統必須知道如何對每一個裝置定址 (它的裝置號碼)、 裝置中斷編號、它的類型與模式以及任何特別的特性。 • 想要什麼類型的系統或使用什麼參數值? 這些選擇或值可能包括多少個這種大 小的緩衝區可以使用、想要的CPU排班演算法則形式、可以支援行程的最大 數量等等。

24. 2.10 系統載入 • 藉由載入核心來開啟一部電腦的步驟就是載入 (booting)系統。 • 在大部份電腦系統之中，有一小段程式碼，叫做靴帶式程式(bootstrap program)或叫做靴帶式載入器 (bootstrap loader)位於核心、載入記憶體，並開始執行核心程式。 • 有些電腦系統 (如PCs)，把這個步驟憂成兩個階段，先有一個非常簡單的靴帶式載入器從磁碟載入一個更複雜的載入程式，然後再由後者載入核心。 bootstrap program