作業系統祕笈(張逸)

人
硬體
X
硬體
OS
why OS ?
我們瞭解到用人工
設定的時間較長…
會造成CPU閒置時間
提高…故會用OS作為
中介，由OS分配資源

CPU
MEMORY
I/O
1
基本概論
3
張逸-計算機概論
4 行程與執行緒
5 死結(deadlock)
6 臨界區間(critical section)
7 記憶體管理
8 虛擬記憶體
9 磁碟陣列(RAID)
OS… 9大章節
von neumann model

CPU
MEMORY
I/O
5 死結(deadlock)
7 記憶體管理
8 虛擬記憶體
von neumann model
1
基本概論
3
OS… 9大章節

1
• 批次系統(batch system)
於統一時間內將資料進行處理，如會計帳系統。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護

1
• 多元程式規劃(multi programming)
將多個process載入memory當中，並以平行或並行方式執行，
過程中或發生wait I/O的情況，CPU會切換給下一個欲執行的
process。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
P1
P2
CPU
1
2 3
P1先獲得CPU
P1需要wait I/O CPU切給P2
硬體
保護

1
• 多處理器系統(multi processor)
指的是系統中有多顆CPU，一次能夠處理多個process。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
OS
CPU1 CPU2 CPU3 CPU4
clock memory
單位時間內產量增加
可達到規模經濟
硬體
保護

1
• 分時系統(time sharing)
將CPU資源使用時間透過一個固定的time slice進行分配。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
P1
P2
P3
P4
CPU
硬體
保護

1
• 分散式系統(distributed system)
利用網路將各地的運算資源結合，使之能夠相互溝通。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
網路
硬體
保護

1
• Polling I/O(詢問式I/O，又稱busy waiting)
CPU不斷監督I/O是否完成，故CPU的使用率會下降。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
CPU
2
1
3
發出I/O中斷訊號
P1需要wait I/O
CPU 設定I/O commands
給I/O Device controller。
4 CPU切給P2
I/O Device controller
5
CPU不斷詢問
P1的I/O 是否
完成 ?
硬體
保護

1
• interrupt I/O(中斷式I/O)
由device controller自行監督I/O是否完成，完成後會通知OS。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
CPU
2
1
3
發出I/O中斷訊號
P1需要wait I/O
CPU 設定I/O commands
給I/O Device controller。
4 CPU切給P2
I/O Device controller
5
device controller
自行監督P1的I/O
是否完成 ?
完成後會通知OS
硬體
保護

1
• interrupt I/O(中斷式I/O)
補充: OS接手後的流程。
1.暫停目前的process
2.查看中斷向量表
3.執行ISR(中斷服務程式)
4.將被中斷的process改為ready的狀態，並於後續挑選執行
tips:每個中斷事件都會有一小段程式對之服務，我們稱為ISR
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護

1
• 直接記憶體存取(DMA)
memory和I/O之間的傳輸不需要CPU介入，改由DMA controller
接手。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
Interrupt I/O DMA
memory I/O
CPU
memory I/O
DMA
controller
vs.
硬體
保護

1
• 直接記憶體存取(DMA)
DMA會採取週期偷取的技術(cycle stealing)
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
IF DE FO EX WM
採用週期偷取的原因是在於有些階段不會使用到CPU，那麼就可以偷取那段時間
進行memory和I/O之間的傳輸，以提升整體的效率。
FO和WM這兩個階段可能不會使用到CPU，故可以偷取這兩段的時間
硬體
保護

1
• 離線作業(offline)
在離峰的時間將資料往速度快的device存放，避免日後CPU
面對較低速的device。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
Card
reader
tape
tape
CPU
tape
tape
printer
輸入輸出
避免cpu面對較低速的card reader，
所以移到較快的tape
避免cpu面對較低速的printer，
所以透過tape作為媒介
硬體
保護

1
• 緩衝(buffering)
在記憶體中切割一塊緩衝區存放disk的資料，輸入時避免CPU
直接面對較低速的disk。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
disk buffer
CPU
printer buffer
printer
輸出:避免面對較低速的printer，所以透過memory作為媒介
disk
硬體
保護

1
• 補充1: I/O bounded
I/O bounded指的是需要大部分時間是進行I/O的作業
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
disk buffer
CPU
資料會集中於此
printer
此時CPU在輸入階段會面對空的buffer，但在輸出階段會面對滿的buffer
disk
硬體
保護

1
• 補充2: CPU bounded
CPU bounded指的是需要大部分時間是進行CPU的作業
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
資料會集中於此
disk
CPU
printer
此時CPU在輸入階段會面對滿的buffer，但在輸出階段會面對空的buffer
printer buffer
硬體
保護

1
• 周邊同步連線(spooling)
利用高速device存放低速device的data，使I/O device共用
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
printer buffer
tape buffer
tape
1
tape
2
tape
3
tape
4
printer
CPU
disk
避免cpu面對
較低速的tape
避免cpu面對較
低速的printer
硬體
保護

1
• 快取(caching)
將常用的data複製一份到快取(cache)
write back: 隔一段時間才將資料回寫回memory。
write through: 馬上寫回，目的用於取得cache和memory的
一致性。
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護

by the way…想到cache你會想到甚麼?

cache又分為… L1快取 L2快取
(較快) (較慢)

(較快) (較慢)
處在記憶體階層中的第二層
暫存器
快取
主記憶體
磁碟
磁帶
USB2.0
USB3.0被
取
代

(較快) (較慢)
暫存器
快取
主記憶體
磁碟
磁帶
USB2.0
USB3.0被
取
代
快取
主記憶體
write
back
write
through

(較快) (較慢)
暫存器
快取
主記憶體
磁碟
磁帶
USB2.0
USB3.0被
取
代
快取
主記憶體
write
back
write
through
當然別忘記他的定義…
存放常用的資料和指令

你學過全通路(omni channel)
叫做打通虛擬與實體的各個環節…
關於計概的全通路(CS omni channel)
請你打通各個章節…
…張逸

1
• 原生型 vs. 寄生型
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
原生型寄生型
vs.
VM1
HW
OS
VM2 VM3VM1 VM2 VM3
HW
沒有中介的控管有中介做溝通
硬體
保護

1
• 中斷(interrupt)
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護
NMI
IRQ
(最緊急的)
硬體中斷(interrupt)
軟體中斷(trap)

1
• 開機程序
(請參考上課講義內容)
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護

1
• I/O 保護
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護
user OS I/O
X
避免使用者直接控制I/O
解決方案採用雙重模式(Dual mode):
1. User mode: 由使用者取得控制權，不可使用特權指令
2. Monitor mode: 由系統取得控制權

1
• memory 保護
記憶體保護有兩種方式，一種是不影響到monitor area(系統用的)，
一種是不影響到user program area(使用者可取用的)
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護

1
• memory 保護--monitor area的保護
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
Monitor area (OS用的)
User program area
彼
此
間
不
可
影
響
硬體
保護

1
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
User program area
法1:
Fence register
user
program
area
判斷方式:
合法
不合法
N
Y
< fence
register
硬體
保護

1
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
User program area
法2: 判斷方式:
ma由上而下存放，upa由下而上存放只要不交會就表示合法
硬體
保護

1
OS
型態
I/O
處理
OS
演進
虛擬機中斷
開機
程序
3
硬體
保護
• memory 保護--user program area的保護
P1
P2
P3
user
program
area
判斷方式:
< Base
不合法不合法
Y Y
N >=
Base+
limit
N
合法

1 台大
3 --歷屆試題一覽
14. Multitasking on a single CPU system is achieved primarily
via a technique called ?
(A) virtual memory (B) pipe lining
(C) time sharing (D) micro kernel
(E) kernel sharing.
[ 99台大資管 ]

MEMORY
I/O
5 死結(deadlock)
7 記憶體管理
8 虛擬記憶體
von neumann model
1
基本概論
3
CPU
OS… 9大章節

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 行程轉換圖(STD)
Job queue
disk
memory
initial
ready
running
不正常
結束
wait
I/O
Suspend
block
Suspend
ready
Swap
out
Swap
in
結束
diskmemory

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 先到先服務(FCFS或FIFO)
先到的process先獲得CPU服務，為不可搶奪(non preemptive)
例題: 算出平均等待時間(A.W.T)
process cpu使用時間行程到達時間
A
B
C
5
7
3
0
0
0

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 先到先服務(FCFS或FIFO)
先到的process先獲得CPU服務，為不可搶奪(non preemptive)
擬答:
A B C
5 12 150
A.W.T = (0 + 5 +12) / 3

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 最短優先服務(SJF)
耗用CPU時間越少的越先做，為不可搶奪(non preemptive)
A
B
C
5
7
3
0
0
0

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 最短優先服務(SJF)
C BA
3 8 150
A.W.T = (0 + 3 + 8) / 3
耗用CPU時間越少的越先做，為不可搶奪(non preemptive)
擬答:

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 最小剩餘優先服務(SRJF)
為可搶奪(non preemptive)的SJF
A
B
C
5
7
3
0
2
2

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 最小剩餘優先服務(SRJF)
為可搶奪(preemptive)的SJF
擬答:

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• Round Robin (R.R)
假設time slice = 5
A
B
C
5
7
3
0
0
0

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• Round Robin (R.R)
假設time slice = 5
擬答:
A
50
A.W.T = [ ( 0 + (5+13-10) + 10 ] /3 = 6
A B C
B
10
C
13
B
15

4
行程
轉換圖
排班
演算法
執行緒
• 補充: 內文轉換(context switching)
當process被迫放棄cpu時，會將舊的process的PCB保留，
並將新的process的PCB載入。

4 中山
--歷屆試題一覽
5. 假設有四個程序(Process), A, B, C, D，其完成所需的CPU時間分別
是6, 4, 2, 1，若每次執行一個程序的CPU時間配額是2，且採用
Round-Robin Scheduling的方式依照A, B, C, D之順序來進行排程，
請問這四個程序的Turnaround Time分別是多少？
[ 98中山資管 ]

4 中山
擬答: 先畫出甘特圖
[ 98中山資管 ]
A B C D A B A
0 2 4 6 7 9 11 13
因此題沒有進入時間，故直接看最後執行完的時間，
A=13, B=11， C=6， D=7

by the way…你的時間排程又是如何?

MEMORY
I/O
7 記憶體管理
8 虛擬記憶體
von neumann model
1
基本概論
3
CPU
OS… 9大章節
5 死結(deadlock)

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• 死結 (deadlock) 四要件
互斥: 一個資源僅允許一個process使用，不可共用1
2
3
4
持有並等待: 某process持有資源，並等待其他資源
不可搶奪: process不可搶奪其他process所持有的資源
循環等待: 存在一組process行成cycle
死結
預防

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• 死結預防 (打破任何一個要件，死結就不存在)
打破”互斥”: 此不容易，互斥為資源的性質1
死結
預防

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
打破”持有並等待”:
法1: 若不能一次抓取所需要的資源，則須全部釋放
法2: 當Pi請求資源前，先將所持有的都放掉
2
死結
預防

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
打破”不可搶奪”: 改為可搶奪的形式3
死結
預防

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
打破”循環等待”:
給予每個資源獨立的編號，process需依照編號請求資源
如: P(R1, R2, R3)…此時可以申請R4
如: P(R2, R3, R6)…此時申請R4會被拒絕…故需釋放R6
假設P0 → P1 → P2 ……→ Pn 仍有循環等待的問題
故R0<R1<R2…..<Rn<R0
此敘述有矛盾，故打破循環等待的問題 (反證法)
4
死結
預防

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• 死結避免 (利用銀行家演算法)
死結
預防
請參考正課內容

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• 死結偵測和恢復
死結
預防
偵測是否有死結，若有cycle則會進行恢復之動作
{ 偵測若有cycle: 判定有死結
偵測若無cycle: 判定無死結

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• 死結偵測和恢復
死結
預防
若偵測到有cycle:
1. user自行處理: 即CTRL+ALT+DEL
2. 由系統處理:
(1).一次結束一個process直到cycle解除
(2).一次結束全部的process

5
死結
四要件
死結
避免
偵測和
恢復
• Deadlock free [中山]
死結
預防
n個process要符合deadlock free需要:
1<= Maxi <=m (其中m為資源數量)
Maxi < m+n (其中n為process數量)
1
n
{

5 交大
3. In order for a deadlock to occur, you must have the following four
conditions met. Deadlock prevention essentially entails removing one
of the conditions. Briefly explain (3) and (4).
(1)Mutual Exclusion: only one process can use a resource at a given time.
(2)Hold and Wait: processes already holding a resource can request new ones.
(3)No Preemption:
(4) Circular wait: [ 102交大資管 ]
清大

5 交大
3. What is deadlock?
What mechanisms can solve the deadlock problem?
[ 99清大資應 ]
清大

5 死結(deadlock)
MEMORY
I/O
7 記憶體管理
8 虛擬記憶體
von neumann model
1
基本概論
3
CPU
OS… 9大章節

行程與
執行緒
基本
概論
死結
臨界
區間
記憶體
管理
虛擬
記憶體
磁碟
陣列
Dear all…
當你已經唸到這裡可以選擇繼續
或停下，你得有自己的念書步調
若是念倦了，希望你可以停下來
去想想你念了甚麼，我想這樣子
的印象會更深刻，別忘了我們和
機器不一樣，機器停了就是停了
人停了，腦袋還在思考…

CPU
5 死結(deadlock)
I/O
8 虛擬記憶體
von neumann model
1
基本概論
3
OS… 9大章節
7 記憶體管理
MEMORY

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 記憶體配置策略:
1.First bit:
假設n為所需空間，free block為可用空間，
first bit 為從頭開始找，只要n<= free block 即配置
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
2.Best bit:
找出n<= free block 中，free block size最小的即是
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
3.Worst bit:
找出n<= free block 中，free block size最大的即是
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
3.Next bit:
從上次配置的下一個free block開始找起，
判斷條件同first bit
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
例:
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
30K
5K
35K
已配置
可用
問: 欲配置20K空間，採用first bit
10K 5K 35K解答:

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
例:
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
30K
5K
35K
已配置
可用
問: 欲配置20K空間，採用best bit
10K 5K 35K解答:

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
例:
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
30K
5K
35K
已配置
可用
問: 欲配置20K空間，採用worst bit
30K 5K 15K解答:

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 內部碎裂:
給予的空間大於process所需，故造成空間上的浪費。
例: process需要25K，但配置給他30K，內部碎裂 =5K
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 外部碎裂:
總空間大於所需空間，但因為這些free block皆不連續
故無法進行配置，而這些不連續的可用空間稱為外部碎裂
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理

有了外部碎裂和內部碎裂的問題
所以我們得要有解決方案…

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 壓縮(compaction):
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
已配置
可用
將不連續的free
block壓縮成一
個大的連續空間

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 多重基底限制暫存器:
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
80K
60K
20K
Base
Base
20K
60K
} limit
} limit
困難點:
不一定切的準確

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
• 分頁式記憶體管理:
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
CPU P d
program page table
+
memory
f0
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f0
f3
f5

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
CPU P d
program page table
+
memory
f0
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f0
f3
f5
Program會切割存放在page table中
故兩邊一個的空間大小 (entry) 會相同

7
配置
策略
外部
碎裂
壓縮
from logical address to physical address (計算)
內部
碎裂
多重基
底限制
暫存器
分頁式
記憶體
管理
logical address
page
size
商…P
餘數…d
find page table get f
physical address
+

這個章節研究所少考…但公職請注意囉!

1 假設虛擬記憶體的虛擬位址（virtual address）是 32-bit，
一個分頁（page）的大小是 4KB，則該虛擬記憶體共有幾個分頁？
(A) 220
(B) 232
(C) 212
(D) 218
擬答: 232/212 =220
7 公職
[102計算機大意]

在一個分頁系統（paging system）中，假設一個分頁（page）
或分頁框（frame）皆為 4 Kbytes，且分頁表（page table）的
項目（entry）0 到項目 4 所記載的分頁框號碼（frame number）
分別為 2, 3, 4, 1, 0。請問邏輯位址（logical address）10 K 對應
之實體位址（physical address）為何？
(A)10 K (B)14 K (C)18 K (D)6 K
7 公職
[102高考]

擬答:
7 公職
[102高考]
10K4K
2
8K
2
找到f2 故為4，一格為4Kbytes
故4*4=16
+ 18

例題: 32 bits logical address, 4KB pages,
4 bytes per page table entry,
求 page table之大小為何 ?
7 公職
[模擬試題]

擬答: 總共32 bits，
7 公職
[模擬試題]
p d
4KB代表page size，故為212
類推回來…代表p會有32-12=20bits
代表有220個page，故為4bytes* 220 = 4MB

7 記憶體管理
CPU
5 死結(deadlock)
I/O
von neumann model
1
基本概論
3
OS… 9大章節
MEMORY
8 虛擬記憶體

8 虛擬記憶體
MEMORY
7 記憶體管理
CPU
5 死結(deadlock)
von neumann model
1
基本概論
3
OS… 9大章節
I/O

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 配置方法:
1. 連續性配置:
需要有連續的free block才可以配置。
優點: 搜尋時間短 (因為data都在鄰近處)
缺點: 有外部碎裂且彈性較小
別忘了…只要是一定要連續性配置就有外部碎裂

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 配置方法:
2. Link allocation:
只要有free block就可以配置。
優點: 彈性大
缺點: 搜尋時間較長

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 配置方法:
3. 索引配置:
每個檔案都有自己的索引值，找到索引值就能找到資料

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 存取時間:
存取時間 = 搜尋時間 + 延遲時間 + 傳輸時間

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 磁碟陣列:
RAID 0:
為最快的磁碟
陣列，將資料
切割做存放…
block1
block2
block3
block4
block1
block3
block2
block4

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 磁碟陣列:
RAID 1:
為最安全的磁碟
陣列，將資料
切割做備份…
block1
block2
block3
block4

9
配置
方法
磁碟
陣列
存取
時間
• 磁碟陣列:
RAID 0+1: 先做RAID 0，再做RAID 1
用以兼顧速度與安全性。

9 台大
--歷屆試題一覽中央
10. A vertical section of track that passes through all platters
on a hard disk:
(A)track (B)volume (C)cylinder
(D)Sector (E)cluster.
[97台大資管]

9 台大
11. A utility that reorganizes the files and unused space on a
computer’s hard disk so the operating system accesses data
more quickly and programs run faster:
(A)garbage collector (B)disk organizer
(C)disk manager (D)disk defragmenter
(E)none of the above.
[96台大資管]

9 台大
7. 假設一個磁碟機有4個磁面(surface)，
每個磁面有1024個磁軌(track)，每個磁軌有128個磁區(sector)，
每個磁區有512個位元組(byte)，則此磁碟機的容量為何？
擬答: 256MB
[100中央網學]

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