計算機作業系統基礎

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什麼是計算機作業系統？

作業系統是系統軟體程式，它使計算機系統硬體和應用程式能夠相互互動。作業系統允許使用者與計算機硬體和軟體互動。該程式執行計算機的所有基本操作，例如檔案管理、記憶體管理、程序管理、中斷處理、輸入和輸出處理，並控制連線到系統的所有外圍裝置。

作業系統的主要目標是啟用連線到計算機系統的所有應用程式和硬體，並使它們可供所有想要執行硬體相關或軟體應用程式所需操作的使用者訪問。“核心”是作業系統的核心元件，它控制和管理作業系統處理的所有操作。一些流行的作業系統包括Linux、Windows、VMS、OS/400、AIX、z/OS、Mac等。如今，幾乎所有裝置中都安裝了作業系統，例如行動電話、個人電腦、大型計算機、汽車、電視、玩具等。

作業系統的特性

• 充當軟體和硬體之間的介面。
• 它是一套整合的專用程式，用於管理計算機的整體資源和操作。
• 專用的系統軟體，用於控制和監視系統中執行的所有其他程式的執行。

作業系統的目標

作業系統的目標是：

• 使計算機系統易於使用。
• 向用戶隱藏技術規格。
• 為使用者提供一個易於與系統互動的介面。
• 充當硬體及其使用者之間的中介。
• 管理計算機系統的資源。
• 在使用者和程式之間提供高效且公平的資源共享。

作業系統的功能

下圖描述了作業系統的部分最常見功能：

記憶體管理

作業系統使用不同的技術來管理記憶體，以確保高效且安全地分配和釋放記憶體資源，以便可以正確地利用它。一些主要的記憶體管理方法包括記憶體分配、記憶體對映、記憶體保護、虛擬記憶體、記憶體分頁和交換、記憶體管理單元 (MMU) 和記憶體清理。

處理器管理

將處理器 (CPU) 分配給程序，並在不再需要時取消分配處理器。它涉及將 CPU 資源高效地分配給程序，以及併發管理多個程序的操作。作業系統處理器管理包括程序管理方法，例如程序排程、排程程式、程序狀態、上下文切換、優先順序、CPU親和性和搶佔。

總的來說，管理處理器對於最佳化 CPU 使用率、最大限度地提高系統性能、最小化響應時間以及在多工處理時確保公平性和響應速度至關重要。

裝置管理

跟蹤所有裝置。這也被稱為 I/O 控制器，它決定哪個程序獲得裝置、何時以及使用多長時間。它通常涉及控制和協調連線到計算機的硬體裝置的使用。作業系統使用裝置檢測和配置、裝置驅動程式、裝置分配、裝置 I/O 操作、中斷處理、裝置佇列和緩衝區、裝置同步和錯誤處理來進行裝置管理。

檔案管理

作業系統在硬碟、固態硬碟和網路儲存上組織、儲存、檢索和操作檔案。作業系統通常使用檔案系統建立和格式化、檔案命名和目錄結構、檔案元資料、檔案操作、檔案訪問控制、檔案 I/O 緩衝區和快取、檔案系統維護以及檔案備份和恢復來處理檔案管理。總的來說，有效的檔案管理對於組織和保留儲存裝置上的資料至關重要，它確保資訊的完整性和安全性，併為使用者和應用程式提供高效的訪問。

安全

為了保護計算機系統、資料和使用者免受未經授權的訪問、非法活動或任何型別的安全威脅，作業系統使用各種安全措施，並使用密碼和其他類似技術來防止未經授權訪問程式和資料。作業系統使用使用者身份驗證、訪問控制、加密、防火牆、防病毒和反惡意軟體軟體、安全更新和補丁管理、安全啟動、審計跟蹤和日誌記錄、沙盒和容器化以及安全網路協議等安全方法來保護系統。

任務記賬

作業記賬跟蹤和記錄程序或作業對計算機系統資源的使用情況。作業系統中的作業記賬技術跟蹤任務執行期間的 CPU、記憶體、磁碟 I/O 和網路活動。因此，它跟蹤各種作業和/或使用者使用的時間和資源。作業記賬通常透過資源監控、程序標識、記賬記錄、定期取樣、事件日誌記錄、使用者和組記賬、配額和限制、報告和分析以及與記賬系統的整合來完成。

總的來說，作業記賬使管理員能夠獲得有關程序如何使用系統資源的寶貴資訊，並幫助他們管理系統效能、最佳化資源分配以及在異構環境中執行使用者使用策略。

控制系統性能

作業系統最佳化資源利用率，有效管理系統資源，並確保快速可靠的操作。作業系統透過程序排程、記憶體管理、I/O 管理、裝置管理、電源管理、效能監控和調整、資源分配和排程策略以及負載平衡機制來實現對系統的控制。總的來說，作業系統管理硬體資源，排程程序並實施各種技術來最佳化其效能以控制和最佳化系統性能。透過有效協調資源使用和工作負載規劃，作業系統可以提供高效執行並符合使用者和應用程式效能要求的系統。

與操作員互動

作業系統使用旨在促進系統管理、配置、監控和故障排除的不同介面和機制；作業系統透過 IT 管理員或使用者與操作員互動。互動可能以指令的形式透過計算機控制檯進行。作業系統確認相同，執行相應的操作，並透過顯示屏告知操作。作業系統使用命令列介面 (CLI)、圖形使用者介面 (GUI)、系統配置工具、系統日誌和訊息、遠端管理和系統通知來實現與操作員的互動。

錯誤檢測輔助工具

作業系統應包括一個錯誤檢測工具，用於檢測、報告並偶爾糾正系統執行期間發生的錯誤。作業系統使用錯誤訊息、診斷工具、系統日誌、內建自檢 (BIST)、糾錯碼 (ECC)、看門狗定時器、執行狀況監控、安全模式和自動錯誤報告來實現錯誤檢測輔助工具。總的來說，作業系統中的錯誤檢測裝置在識別、診斷和糾正系統錯誤和故障方面發揮著關鍵作用，提高了系統的可靠性並確保機器的平穩執行。

其他軟體和使用者之間的協調

作業系統提供一個平臺和一組服務，允許其他軟體和使用者之間的通訊、資源共享和互動，從而促進協調。作業系統透過系統呼叫和 API、程序間通訊 (IPC)、併發和多工處理、使用者介面、資源管理、安全和訪問控制、事件處理和通知以及與中介軟體和服務的整合來實現其他軟體和使用者之間的協調。

總的來說，作業系統提供了一個用於通訊、資源管理、安全和事件處理的平臺，這在協調軟體應用程式與使用者的互動方面發揮著至關重要的作用。作業系統透過有效協調軟體元件與使用者，提高了系統的可用性、效率和可靠性。