操作系统原理方敏作业管理和用户接口.pptx

操作系统、实验操作系统、实验操作系统、实验操作系统、实验第二章第二章第二章第二章 作业管理和用户接口作业管理和用户接口作业管理和用户接口作业管理和用户接口操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组第2页内容回顾内容回顾第一章：操作系统概述第一章：操作系统概述v操作系统的定义操作系统的定义v操作系统的特征操作系统的特征v操作系统的发展操作系统的发展v操作系统的分类操作系统的分类v操作系统的结构操作系统的结构(包括内核体系结构包括内核体系结构)v介绍了几种常用的操作系统：介绍了几种常用的操作系统：DOS、Windows、Unix及及Linux第3页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理 什么是作业什么是作业(Job)？v用户角度：在一次算题过程中或者一个事务处理过程中用户角度：在一次算题过程中或者一个事务处理过程中从输入程序和数据到输出结果，要求计算机系统所做工从输入程序和数据到输出结果，要求计算机系统所做工作的总和。作的总和。v系统角度（批处理系统）：作业由程序、数据和作业说系统角度（批处理系统）：作业由程序、数据和作业说明书组成的，系统的任务是针对作业进行资源分配。明书组成的，系统的任务是针对作业进行资源分配。v教材中的定义：教材中的定义：作业作业是用户在一次算题过程中或者一个是用户在一次算题过程中或者一个事务处理过程中要求计算机系统所做工作的总和，它是事务处理过程中要求计算机系统所做工作的总和，它是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位。为理解方用户向计算机系统提交一项工作的基本单位。为理解方便我们可以将作业看作是一个任务。便我们可以将作业看作是一个任务。第4页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理v例子：到例子：到ATM机取款（作业）机取款（作业）可能的步骤可能的步骤验证卡的有效性验证卡的有效性查询余额查询余额输入提取金额输入提取金额退退 卡卡作业步：在作业的处理过程作业步：在作业的处理过程中，计算机所做的相对独立中，计算机所做的相对独立的步骤。的步骤。一个作业就是由这些顺序相一个作业就是由这些顺序相连的作业步组成的。连的作业步组成的。第5页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业的组成作业的组成v作业由程序、数据和作业控制信息（作业说明书）三部作业由程序、数据和作业控制信息（作业说明书）三部分组成。分组成。v作业说明书主要提供给批处理作业用户使用，它体现用作业说明书主要提供给批处理作业用户使用，它体现用户对作业的控制意图，包括：户对作业的控制意图，包括：作业基本情况：用户名、作业名、编程语言、最大处作业基本情况：用户名、作业名、编程语言、最大处理时间等。理时间等。作业控制描述：作业控制方式、作业步的操作顺序、作业控制描述：作业控制方式、作业步的操作顺序、作业执行出错处理。作业执行出错处理。作业资源要求描述：处理时间、优先级、内存空间、作业资源要求描述：处理时间、优先级、内存空间、外设类型和数量、实用程序要求等。外设类型和数量、实用程序要求等。v作业说明书要使用专门的作业控制语言作业说明书要使用专门的作业控制语言(JCL)书写。书写。第6页执行执行一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业的处理过程作业的处理过程Job输入输入运行运行就绪就绪等待等待后备后备完成完成作业注册作业注册作业输入作业输入作业调度作业调度进程调度进程调度作业终止作业终止第7页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业的输入作业的输入/输出方式输出方式v作业的输入：指把作业从输入介质上送入系统并加以组作业的输入：指把作业从输入介质上送入系统并加以组织，在磁盘上形成一个后备作业的过程。织，在磁盘上形成一个后备作业的过程。v作业的输出：指将作业执行的结果由系统经输出设备输作业的输出：指将作业执行的结果由系统经输出设备输出的过程。出的过程。v分类：分类：联机输入联机输入/输出：由主机输出：由主机(CPU)直接控制输入直接控制输入/输出。输出。效率低下，资源不能得以充分利用。效率低下，资源不能得以充分利用。脱机输入脱机输入/输出输出第8页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理主机主机外围处理机外围处理机（输入）（输入）外围处理机外围处理机（输出）（输出）采用人工干预方式：主要用于早期批处理系统，由于主机采用人工干预方式：主要用于早期批处理系统，由于主机和外围处理机之间采用的是手工操作方式，因此效率依然和外围处理机之间采用的是手工操作方式，因此效率依然不高，而且受到很多限制。不高，而且受到很多限制。第9页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理vSPOOLing系统系统即外围设备同时联机操作即外围设备同时联机操作(Simultaneous Peripheral Operation On Line)，又称为假脱机。兼具脱机和，又称为假脱机。兼具脱机和联机方式的优点，可以实现联机方式下的主机和外围联机方式的优点，可以实现联机方式下的主机和外围设备的同时工作。设备的同时工作。技术基础：多道程序设计技术，通道技术。技术基础：多道程序设计技术，通道技术。通道技术：外设和主机之间数据传送的一种方式。通道技术：外设和主机之间数据传送的一种方式。内存内存通道通道外设外设第10页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理v思想：利用一个进程来模拟脱机输入时的外围控制机的思想：利用一个进程来模拟脱机输入时的外围控制机的功能，把低速功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；同时设备上的数据传送到高速磁盘上；同时再利用另一个进程来模拟脱机输出时外围控制机的功能，再利用另一个进程来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上，这样，便可在主把数据从磁盘传送到低速输出设备上，这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。vSPOOLing系统由以下三部分构成：系统由以下三部分构成：输入进程输入进程输出进程输出进程输入井输入井CPUSPOOLing系统系统输入设备输入设备缓冲区缓冲区输出井输出井输出设备输出设备缓冲区缓冲区第11页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理vSPOOLing系统的优点系统的优点提高了提高了I/O速度。类似脱机输入速度。类似脱机输入/输出，缓和输出，缓和CPU和和I/O速度之间的矛盾。速度之间的矛盾。将独占设备改造为共享设备。将独占设备改造为共享设备。SPOOLing系统中所谓系统中所谓的设备分配只是在输入输出井中分配一个存储区和建的设备分配只是在输入输出井中分配一个存储区和建立一张立一张I/O请求表而已。请求表而已。实现了虚拟设备功能。多个进程共享一台独立设备。实现了虚拟设备功能。多个进程共享一台独立设备。第12页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理Job输入输入后备后备执行执行运行运行就绪就绪等待等待完成完成作业注册作业注册作业输入作业输入作业调度作业调度进程调度进程调度作业终止作业终止第13页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业注册（作业录入）作业注册（作业录入）v为每个作业创建作业控制块为每个作业创建作业控制块(JCB,Job Control Block)JCB是系统中作业存在的唯一标志，是系统为管理作是系统中作业存在的唯一标志，是系统为管理作业设置的一个数据结构，里面记录有与作业相关的各业设置的一个数据结构，里面记录有与作业相关的各种信息，只有当作业退出系统时，种信息，只有当作业退出系统时，JCB才被撤销。才被撤销。JCB内容：内容：标识信息：作业名，用户名，用户帐号；标识信息：作业名，用户名，用户帐号；状态信息：提交、后备、执行、就绪、等待、完状态信息：提交、后备、执行、就绪、等待、完成；成；调度参数：优先级；调度参数：优先级；资源需求量；资源需求量；其它控制信息。其它控制信息。第14页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理v将作业放入作业后备队列将作业放入作业后备队列输入井输入井Job1Job2Job3Job4Job5Job6Job7Job8Job9Job10Job11Job12Job1Job2Job3Job4Job5Job6Job7Job8Job9Job10Job11Job12后备队列后备队列第15页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理Job输入输入后备后备执行执行运行运行就绪就绪等待等待完成完成作业注册作业注册作业输入作业输入作业调度作业调度进程调度进程调度作业终止作业终止第16页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业调度作业调度v系统调度一般分三种：高级调度，中级调度，低级调度。系统调度一般分三种：高级调度，中级调度，低级调度。作业调度属于作业调度属于“高级调度高级调度”，也称为宏观调度，其功能，也称为宏观调度，其功能为：检查系统是否满足作业的资源要求，并按一定算法为：检查系统是否满足作业的资源要求，并按一定算法选取作业。选取作业。v当作业调度程序选择到一个作业时，作业只是有资格获当作业调度程序选择到一个作业时，作业只是有资格获得处理机，但不一定立刻就能占有运行。何时能够真正得处理机，但不一定立刻就能占有运行。何时能够真正运行由运行由“进程调度进程调度”策略决定。策略决定。第17页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理调度算法调度算法v单道批处理系统作业调度算法单道批处理系统作业调度算法单道批量处理系统中作业调度的主要任务是有效地实单道批量处理系统中作业调度的主要任务是有效地实现作业之间衔接，尽量提高系统资源利用率，减少操现作业之间衔接，尽量提高系统资源利用率，减少操作人员的干予。在单道批量处理中，通常采用下述三作人员的干予。在单道批量处理中，通常采用下述三种算法：种算法：第18页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理调度算法调度算法思想思想优点优点缺点缺点先来先服务先来先服务调度算法调度算法(FCFS)按作业到达的先后顺按作业到达的先后顺序进行调度序进行调度非常简单非常简单 没有考虑作业没有考虑作业的执行时间，的执行时间，不利于短作业不利于短作业的执行。的执行。短作业优先短作业优先调度算法调度算法(SJF)优先调度要求运行时优先调度要求运行时间最短的作业间最短的作业可以有效降低作业的平可以有效降低作业的平均等待时间，提高系统均等待时间，提高系统吞吐量吞吐量对长作业不利，对长作业不利，可能会发生可能会发生“饥饿饥饿”现象。现象。响应比高者响应比高者优先调度算优先调度算法法(HRP)为每个作业设置一个为每个作业设置一个优先权优先权(响应比响应比)，调，调度之前先计算各作业度之前先计算各作业的优先权，优先数高的优先权，优先数高者优先调度。者优先调度。既照顾了短作业，也考既照顾了短作业，也考虑到了作业到达先后顺虑到了作业到达先后顺序，并克服了长作业的序，并克服了长作业的“饥饿饥饿”现象，是一种现象，是一种较好的折衷算法。较好的折衷算法。每次调度前需每次调度前需要对所有作业要对所有作业计算优先权。计算优先权。RP 作业响应时间作业响应时间/作业运行时间作业运行时间 (作业等待时间作业等待时间+作业运行时间作业运行时间)/作业运行时间作业运行时间 1+作业等待时间作业等待时间/作业运行时间作业运行时间从中我们可以看出：从中我们可以看出：(1)如果作业等待时间相同，则运行时间越短，其如果作业等待时间相同，则运行时间越短，其RP值越高；值越高；(2)如果运行时间相同，则作业等待时间越长，如果运行时间相同，则作业等待时间越长，RP值越高。值越高。第19页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理v多道批处理系统作业调度算法多道批处理系统作业调度算法在多道批量处理系统中，为提高处理机的利用率，改在多道批量处理系统中，为提高处理机的利用率，改善主存和善主存和I/O设备的利用情况，作业调度程序可以选设备的利用情况，作业调度程序可以选择多个作业同时执行。通常采用以下两种作业调度算择多个作业同时执行。通常采用以下两种作业调度算法：法：优先级调度算法。为了照顾时间要求紧迫的作业优先级调度算法。为了照顾时间要求紧迫的作业和和“I/O繁忙繁忙”的作业，系统为作业设置优先级，的作业，系统为作业设置优先级，并根据优先级进行调度。并根据优先级进行调度。均衡调度算法。这种算法的基本思想是根据系统均衡调度算法。这种算法的基本思想是根据系统的运行情况和作业本身的特性对作业进行分类。的运行情况和作业本身的特性对作业进行分类。作业调度程序轮流地从这些不同类别的作业中挑作业调度程序轮流地从这些不同类别的作业中挑选作业执行。这种算法力求均衡地使用系统的各选作业执行。这种算法力求均衡地使用系统的各种资源即注意发挥系统效率又使用户满意。种资源即注意发挥系统效率又使用户满意。第20页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理调度算法的评价因素调度算法的评价因素v吞吐量：单位时间内吞吐量：单位时间内CPU完成作业的数量。完成作业的数量。vCPU利用率：从利用率：从0100。v周转时间：评价批处理系统的性能指标。周转时间：评价批处理系统的性能指标。周转时间：周转时间：Ti 作业完成时刻作业完成时刻 作业提交时刻作业提交时刻例如：作业例如：作业Ji 8:00提交，执行时间为提交，执行时间为1小时，小时，10:00运运行结束，行结束，则其周转时间则其周转时间Ti 10:008:00 2(hours)平均周转时间平均周转时间第21页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理周转系数：周转系数：Wi Ti/作业执行时间作业执行时间例如上面的作业例如上面的作业Ji的周转系数的周转系数Wi 2/1 2平均周转系数：平均周转系数：第22页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理调度算法的选择调度算法的选择v作业调度算法是一个策略问题，有时很难做到兼颐所有作业调度算法是一个策略问题，有时很难做到兼颐所有因素，所以在进择算法时应着重考虑对系统至关重要的因素，所以在进择算法时应着重考虑对系统至关重要的因素，可以牺牲某些次要因素，以达到较好的性能。建因素，可以牺牲某些次要因素，以达到较好的性能。建议如下：议如下：选择的调度算法应与系统的整个设计目标一致。例如，选择的调度算法应与系统的整个设计目标一致。例如，批量处理系统、分时系统、实时系统各自强调的重点批量处理系统、分时系统、实时系统各自强调的重点不同。不同。注意系统资源的均衡使用，使注意系统资源的均衡使用，使“I/O繁忙繁忙”的作业和的作业和“CPU繁忙繁忙”的作业搭配起来执行。的作业搭配起来执行。平衡系统和用户的要求。系统和用户的要求往往是矛平衡系统和用户的要求。系统和用户的要求往往是矛盾的对立双方，确定算法时要尽量子以缓和双方的矛盾的对立双方，确定算法时要尽量子以缓和双方的矛盾。对用户来说，作业能盾。对用户来说，作业能“立即执行立即执行”往往难以做到，往往难以做到，但是应保证进入系统的作业在规定的截止时间内完成，但是应保证进入系统的作业在规定的截止时间内完成，而且系统应设法缩短作业的平均周转时间。而且系统应设法缩短作业的平均周转时间。第23页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理作业调度算法性能分析作业调度算法性能分析v单道程序环境下作业调度的性能单道程序环境下作业调度的性能假设有假设有4个作业，提交时刻、执行时间分别如下：个作业，提交时刻、执行时间分别如下：第24页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理先来先服务调度算法先来先服务调度算法第25页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理最短作业优先调度算法最短作业优先调度算法第26页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理响应比高者优先算法响应比高者优先算法第27页结论：就平均周转时间和平均周转系数来结论：就平均周转时间和平均周转系数来说，最短作业优先算法最小，先来先服务说，最短作业优先算法最小，先来先服务算法最大，响应比高者优先算法居中。算法最大，响应比高者优先算法居中。第28页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理v多道程序环境下作业调度的性能多道程序环境下作业调度的性能假设一个两道作业批处理系统，现有假设一个两道作业批处理系统，现有4个作业，提交时个作业，提交时刻、执行时间分别如下：刻、执行时间分别如下：调度过程分为两步：调度过程分为两步：1）作业调度：假设在此使用短作业优先调度算法）作业调度：假设在此使用短作业优先调度算法2）处理机调度：采用抢占式优先级调度算法，规定）处理机调度：采用抢占式优先级调度算法，规定 短作业享有较高优先级。短作业享有较高优先级。第29页一、作业的组织和管理一、作业的组织和管理timeJob123410:0011:2010:0510:2510:3510:55第30页二、作业控制方式二、作业控制方式作业的分类作业的分类v脱机作业脱机作业脱机作业控制方式脱机作业控制方式v联机作业联机作业联机作业控制方式联机作业控制方式脱机作业控制方式脱机作业控制方式v方法：使用作业说明书方法：使用作业说明书JCL书写书写第31页二、作业控制方式二、作业控制方式联机作业控制方式联机作业控制方式v特点：交互式特点：交互式v方法方法命令方式命令方式MS-DOS：DOS命令，如命令，如“dir”“cd”“copy”等等UNIX：shell命令，如命令，如“ls”“cd”“cp”等等图形接口图形接口Windows:GUI界面界面UNIX:Xwindows第32页程序级接口程序级接口作业控制级接口作业控制级接口三、用户接口三、用户接口用户接口分类用户接口分类操作系统操作系统裸机裸机提供对作业的控制功能。最初是提供对作业的控制功能。最初是命令驱动方式，现在多采用图形命令驱动方式，现在多采用图形及视窗操作环境。及视窗操作环境。系统专门为用户设置的获得操作系统专门为用户设置的获得操作系统服务的一种途径，通常由系系统服务的一种途径，通常由系统调用组成，编程时常用。统调用组成，编程时常用。第33页三、用户接口三、用户接口程序级接口（系统功能调用）程序级接口（系统功能调用）子功能子功能OS系统功能调用是操作系统提供给程序设系统功能调用是操作系统提供给程序设计人员的一种服务。程序设计人员在编计人员的一种服务。程序设计人员在编写程序时，可以利用系统调用来请求操写程序时，可以利用系统调用来请求操作系统的服务作系统的服务。目的：方便用户使用。目的：方便用户使用。程序程序系统功能调用系统功能调用第34页三、用户接口三、用户接口系统调用原理系统调用原理v系统中的程序类型及状态系统中的程序类型及状态系统程序系统程序用户程序用户程序算态（目态，用户态）算态（目态，用户态）管态（系统态，核心态）管态（系统态，核心态）特权指令：一类只能在管态下运行而不能在特权指令：一类只能在管态下运行而不能在算态下运行的特殊指令。算态下运行的特殊指令。不同的操作系统特权指令会有所差异，但是不同的操作系统特权指令会有所差异，但是一般来说主要是和硬件相关的一些指令。一般来说主要是和硬件相关的一些指令。第35页三、用户接口三、用户接口v系统功能调用系统功能调用系统程序系统程序用户程序用户程序算态算态管态管态问题？问题？1、用户程序如何由算态进入管态？、用户程序如何由算态进入管态？2、在管态下完成工作后如何返回算法、在管态下完成工作后如何返回算法继续执行其它任务？继续执行其它任务？访管指令访管指令：本身是一条特殊的指：本身是一条特殊的指令，但令，但不是不是特权指令。特权指令。基本功能：基本功能：“自愿进管自愿进管”，能引，能引起访管中断。起访管中断。第36页三、用户接口三、用户接口基本调用过程基本调用过程访管指令访管指令中断机构中断机构保护现场保护现场将状态置将状态置为为“管态管态”系统子程序系统子程序恢复现场恢复现场访管中断访管中断系统功能调用：就是用户在程序中使用系统功能调用：就是用户在程序中使用“访管指令访管指令”调用由操作调用由操作系统提供的子功能集合。其中每一个系统子功能称为一个系统调系统提供的子功能集合。其中每一个系统子功能称为一个系统调用命令，也叫广义指令。用命令，也叫广义指令。第37页三、用户接口三、用户接口系统功能调用与普通过程调用的区别系统功能调用与普通过程调用的区别v系统调用本质上是一种过程调用，但它是一种特殊的过系统调用本质上是一种过程调用，但它是一种特殊的过程调用，与一般用户程序中的过程调用有明显的区别程调用，与一般用户程序中的过程调用有明显的区别。运行状态不同。系统调用的调用过程和被调用过程运运行状态不同。系统调用的调用过程和被调用过程运行在不同的状态，而普通的过程调用一般运行在相同行在不同的状态，而普通的过程调用一般运行在相同的状态。的状态。调用方法不同。系统调用必须通过软中断机制首先进调用方法不同。系统调用必须通过软中断机制首先进入系统核心，然后才能转向相应的命令处理程序。普入系统核心，然后才能转向相应的命令处理程序。普通过程调用可以直接由调用过程转向被调用过程。通过程调用可以直接由调用过程转向被调用过程。返回问题。在采用抢先式调度的系统中，当系统调用返回问题。在采用抢先式调度的系统中，当系统调用返回时，要重新进行调度分析返回时，要重新进行调度分析是否有更高优先级是否有更高优先级的任务就绪。普通的过程调用直接返回调用过程继续的任务就绪。普通的过程调用直接返回调用过程继续执行。执行。第38页三、用户接口三、用户接口系统调用种类系统调用种类v不同的操作系统为用户提供的系统调用的数量或形式是不同的操作系统为用户提供的系统调用的数量或形式是不同的。一般的系统为用户提供几十到上百条系统调用。不同的。一般的系统为用户提供几十到上百条系统调用。vUNIX系统系统 主要系统功能主要系统功能 设备管理设备管理 文件管理文件管理 进程控制进程控制 进程通信进程通信 存储管理存储管理 系统管理系统管理 文件保护文件保护第39页三、用户接口三、用户接口vWindows系统系统Win32 API函数由以下三个函数由以下三个windows组件支持：组件支持：1、KERNEL32.dll：完成内存管理、程序的装入、执行和任：完成内存管理、程序的装入、执行和任务调度等功能。务调度等功能。2、GDI32.dll：提供了图形与文字输出、图像操作和窗口管理：提供了图形与文字输出、图像操作和窗口管理等各种与显示和打印有关的功能等各种与显示和打印有关的功能 3、USER32.dll：它用来对声音、时钟、鼠标器及键盘输入等：它用来对声音、时钟、鼠标器及键盘输入等操作进行管理操作进行管理 第40页三、用户接口三、用户接口系统调用的实现过程（以系统调用的实现过程（以UNIX为例）为例）vUNIX中系统调用是依靠中系统调用是依靠trap(自陷指令自陷指令)实现的。实现的。设设置置系系统统调调用用号号参参数数执行执行trap指令指令陷入处理机构陷入处理机构保护现场保护现场取系统调用号取系统调用号查找子程序入查找子程序入口地址口地址恢复现场恢复现场A0A1A2A3系统调用入系统调用入口地址表口地址表A0A1A2A3系统调用子程序系统调用子程序第41页作业作业P56 习题习题 1,2,3,6，8，9,10