ch2操作系統(tǒng)課件西安電子科技大學(xué)

1、1,計算機操作系統(tǒng),第二章 用戶接口與作業(yè)管理,方敏,2,第二章 用戶接口與作業(yè)管理,作業(yè)的組織與管理 作業(yè)控制方式 系統(tǒng)功能調(diào)用 圖形用戶接口 用戶管理,3,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.1 作業(yè)和作業(yè)處理過程 基本概念 作業(yè)：就是用戶一次請求計算機系統(tǒng)為他完成任務(wù)所進行的工作總和。 一般來說，為了完成其任務(wù)，可以將作業(yè)細分成若干個作業(yè)步。作業(yè)步就是處理作業(yè)的各個獨立的子任務(wù)，系統(tǒng)可以創(chuàng)建若干進程完成各作業(yè)步的計算，所以說一個作業(yè)是由若干作業(yè)步組成的。,4,2.1 作業(yè)的組織與管理,如 （1）編輯：edlin user.asm （2）匯編：masm user （3）鏈接：mink use

2、r （4）執(zhí)行：user 最后執(zhí)行user.exe文件獲得所要的結(jié)果。,5,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.1 作業(yè)和作業(yè)處理過程 作業(yè)的類型：根據(jù)計算機系統(tǒng)作業(yè)處理方式的不同，可以把作業(yè)分為兩大類： 脫機作業(yè)：不直接交互，通常用于批處理系統(tǒng) 聯(lián)機作業(yè)：直接交互，通常用于分時系統(tǒng)和目前的微機系統(tǒng) 作業(yè)控制方式：用戶向操作系統(tǒng)提供作業(yè)加工步驟的方式 脫機作業(yè)控制方式 聯(lián)機作業(yè)控制方式,6,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.1 作業(yè)和作業(yè)處理過程 作業(yè)的組成：包括程序、數(shù)據(jù)、作業(yè)控制信息（如作業(yè)說明書）三部分 作業(yè)說明書體現(xiàn)用戶對作業(yè)控制的意圖，包括 作業(yè)基本情況：如用戶名、作業(yè)名 作業(yè)控制描述

3、：如作業(yè)控制方式、出錯處理 作業(yè)資源要求描述：如處理時間、優(yōu)先級、內(nèi)存空間,7,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.1 作業(yè)和作業(yè)處理過程 作業(yè)的處理過程 輸入：用戶將自己的程序和數(shù)據(jù)提交給系統(tǒng)的后援存儲器 后備：建立作業(yè)控制塊，加入后備作業(yè)隊列，等待調(diào)度 執(zhí)行：被成功調(diào)度，分配資源，建立一組相應(yīng)的進程，可進一步分為就緒、運行、阻塞狀態(tài) 完成：正常結(jié)束或因錯誤終止，退出系統(tǒng),8,2.1 作業(yè)的組織與管理,后備,9,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.2 作業(yè)的輸入/輸出方式 作業(yè)的輸入指把作業(yè)從輸入介質(zhì)上送入系統(tǒng)并加以組織，在磁盤上形成一個后備作業(yè)的過程； 作業(yè)的輸出是指將作業(yè)執(zhí)行的結(jié)果由系統(tǒng)經(jīng)輸

4、出設(shè)備輸出,10,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.2 作業(yè)的輸入/輸出方式 聯(lián)機輸入/輸出方式 由主機直接控制，由于主機與外設(shè)的速度相差懸殊，從而降低了CPU的利用率 脫機輸入/輸出方式（人工干預(yù)） 由外圍處理機控制，人工干預(yù)，但手工操作效率低 SPOOLing系統(tǒng)Simultaneous Peripheral Operations On Line,外圍設(shè)備同時聯(lián)機操作,11,2.1 作業(yè)的組織與管理,SPOOLing系統(tǒng)的核心思想是利用一臺可共享的、高速大容量的塊設(shè)備（磁盤）來模擬獨占設(shè)備的操作，使一臺獨占設(shè)備變成多臺可并行使用的虛擬設(shè)備。 SPOOLing系統(tǒng)由專門負責I/O的常駐內(nèi)存的

5、進程和輸入井、輸出井組成 提高了I/O速度；將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備；實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能,12,2.1 作業(yè)的組織與管理,13,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.3 作業(yè)控制塊（Job Control Block,JCB) 作業(yè)控制塊是作業(yè)存在的唯一標志，是系統(tǒng)為管理作業(yè)所設(shè)置的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括該作業(yè)的標識信息、狀態(tài)信息、調(diào)度參數(shù)、資源需求和其他控制信息。 作業(yè)后備隊列就是按照某種原則將后備作業(yè)的JCB排成的一個或多個序列，以便作業(yè)調(diào)度。,14,2.1 作業(yè)的組織與管理,作業(yè)控制表(JCB, Job Control Block) 1）作業(yè)名 2）用戶名 3）語言程序類型（需調(diào)用的系統(tǒng)程序）

6、4）內(nèi)存需求量 5）估計執(zhí)行時間 6）優(yōu)先數(shù)（用于調(diào)度） 7）作業(yè)類型 8）作業(yè)說明書文件名 9）資源要求：（靜態(tài)，或中間可以隨作業(yè)步變化效率不高；動態(tài)分配 10）作業(yè)狀態(tài)：提交、后備、執(zhí)行、就緒、等待、完成；,15,2.1 作業(yè)的組織與管理,2.1.4 作業(yè)調(diào)度 在一些操作系統(tǒng)中，一個作業(yè)從提交到完成需要經(jīng)過高級、中級和低級三級調(diào)度 高級調(diào)度：即作業(yè)調(diào)度，選擇后備作業(yè)，為其建立進程，并使其進入主機 中級調(diào)度：即對換調(diào)度，決定進程在內(nèi)存和輔存盤交換區(qū)間的對換。 低級調(diào)度：即進程級調(diào)度，決定哪個進程可以占用CPU，進入運行狀態(tài)。,16,2.1 作業(yè)的組織與管理,17,2.1 作業(yè)的組織與管理,作

7、業(yè)調(diào)度算法的評價因素 CPU利用率：越高越好 吞吐量：單位時間內(nèi)CPU完成作業(yè)的數(shù)量 周轉(zhuǎn)時間：通常與周轉(zhuǎn)系數(shù)一起作為評價批處理系統(tǒng)的性能指標，定義如下： 其中，作業(yè)Ji的提交時間為tsi，執(zhí)行時間為tri，完成時間為toi,18,2.1 作業(yè)的組織與管理,n個作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時間T和平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W分別為,對于每個用戶來說，總是希望作業(yè)提交后立即執(zhí)行，這樣周轉(zhuǎn)時間等于執(zhí)行時間；而對于一個計算機系統(tǒng)來說，不可能滿足每個用戶的這種要求，只能使系統(tǒng)的平均周轉(zhuǎn)時間最短。,19,2.1 作業(yè)的組織與管理,常見作業(yè)調(diào)度算法 對于單道批處理系統(tǒng)，常用以下三種算法： 先來先服務(wù)（FCFS）：按作業(yè)到達先后進行調(diào)

8、度，即啟動等待時間最長的作業(yè)。這種算法忽視了吞吐量和平均周轉(zhuǎn)時間，有利于長作業(yè)，不利于短作業(yè)，有利于CPU繁忙的作業(yè)，不利于I/O繁忙的作業(yè)。,20,2.1 作業(yè)的組織與管理,常見作業(yè)調(diào)度算法 對于單道批處理系統(tǒng)，常用以下三種算法： 短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法（SJF）：以要求運行時間長短進行調(diào)度，即啟動要求運行時間最短的作業(yè)。這種算法可以有效降低作業(yè)的平均等待時間，提高系統(tǒng)的吞吐量，但對長作業(yè)不利，容易致使長作業(yè)出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象，并且也沒有考慮到作業(yè)的緊迫程度。,21,2.1 作業(yè)的組織與管理,常見作業(yè)調(diào)度算法 對于單道批處理系統(tǒng)，常用以下三種算法： 最高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法（HRP）：優(yōu)先調(diào)度響應(yīng)比

9、高的作業(yè)。 響應(yīng)比RP作業(yè)響應(yīng)時間/作業(yè)估計運行時間 （作業(yè)估計運行時間+作業(yè)等待時間）/作業(yè)估計運行時間 1 + 作業(yè)等待時間/作業(yè)估計運行時間,22,2.1 作業(yè)的組織與管理,常見作業(yè)調(diào)度算法 對于多道批處理系統(tǒng)，常用以下兩種算法： 優(yōu)先級調(diào)度算法：由用戶指定作業(yè)優(yōu)先級，優(yōu)先級高的作業(yè)先啟動。指定原則： 照顧時間要求緊迫的作業(yè)； 照顧“I/O繁忙”的作業(yè)，以充分發(fā)揮外設(shè)的效率； 在一個兼顧分時操作和批量處理的系統(tǒng)中，照顧終端會話型作業(yè)，以便獲得合理的響應(yīng)時間。,23,2.1 作業(yè)的組織與管理,常見作業(yè)調(diào)度算法 對于多道批處理系統(tǒng)，常用以下兩種算法： 均衡調(diào)度算法：這種算法的基本思想是根據(jù)系

10、統(tǒng)的運行情況和作業(yè)本身的特性對作業(yè)進行分類。作業(yè)調(diào)度程序輪流地從這些不同類別的作業(yè)中挑選作業(yè)執(zhí)行。這種算法力求均衡地使用系統(tǒng)的各種資源。即注意發(fā)揮系統(tǒng)效率，又使用戶滿意。比如把出現(xiàn)在輸入井中的作業(yè)分成A、B、C三個隊列： A隊：短作業(yè)，其計算時間小于一定值，無特殊外設(shè)要求； B隊：要用到磁帶的作業(yè)； C隊：長作業(yè)，其計算時間超過一定值。,24,2.1 作業(yè)的組織與管理,單道程序環(huán)境下作業(yè)調(diào)度性能的分析 設(shè)有四個作業(yè)，其提交時刻、執(zhí)行時間如下表所示：,這里采用十進制計數(shù)，只是為了方便。,25,2.1 作業(yè)的組織與管理,先來先服務(wù)調(diào)度算法：順序為1 2 3 4，計算平均周轉(zhuǎn)時間T和平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W，

11、如下表所示。,8.00,10.00,2.00,1.00,10.00,10.50,2.00,4.00,10.50,10.60,1.60,16.00,10.60,10.80,1.30,6.50,6.90,27.50,平均周轉(zhuǎn)時間T1.725小時，平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W6.875,26,2.1 作業(yè)的組織與管理, 最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法：由于在8.00開始執(zhí)行作業(yè)，當時僅有1，而作業(yè)2，3，4尚未到達，故作業(yè)1是最短作業(yè)。作業(yè)1執(zhí)行完成后是10.00，此時作業(yè)2，3，4均已經(jīng)到達，故選最短作業(yè)3，然后是4，2。所以順序為1,3,4,2。平均周轉(zhuǎn)時間和平均周轉(zhuǎn)系數(shù)的計算結(jié)果如下表所示。,8.00,10.00,2

12、.00,1.00,10.00,10.10,1.10,11.00,10.10,10.30,0.80,4.00,10.30,10.80,2.30,4.60,6.20,20.60,平均周轉(zhuǎn)時間T1.55小時，平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W5.15,27,2.1 作業(yè)的組織與管理,響應(yīng)比高者優(yōu)先算法：在作業(yè)1執(zhí)行完成，計算作業(yè)2，3，4的響應(yīng)比分別為：4，11，3.5，因此作業(yè)1執(zhí)行完成后選中作業(yè)3完成。執(zhí)行順序為1，3，2，4。按此算法求得的平均周轉(zhuǎn)時間和平均周轉(zhuǎn)系數(shù)如下表所示。,8.00,10.00,2.00,1.00,10.00,10.10,1.10,11.00,10.10,10.60,2.10,4.20,10

13、.60,10.80,1.30,6.50,6.50,22.70,平均周轉(zhuǎn)時間T1.625小時，平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W5.675,28,2.1 作業(yè)的組織與管理,總結(jié)：就其平均周轉(zhuǎn)時間和平均周轉(zhuǎn)系數(shù)來說，最短作業(yè)優(yōu)先算法最小，先來先服務(wù)算法最大，響應(yīng)比高者優(yōu)先算法居中。,29,2.1 作業(yè)的組織與管理,多道程序環(huán)境下作業(yè)調(diào)度性能的分析 具有兩道作業(yè)的批處理系統(tǒng)，作業(yè)調(diào)度采用短作業(yè)優(yōu)先算法，作業(yè)進駐內(nèi)存后，采用以優(yōu)先數(shù)為基礎(chǔ)的搶占式調(diào)度算法，作業(yè)運行時間越短，優(yōu)先數(shù)越大。4個作業(yè)序列如下：,30,2.1 作業(yè)的組織與管理,總的執(zhí)行順序為1 2 4 3 1,10.00,11.20,80,2.667,10.05

14、,10.25,20,1,10.35,10.55,45,2.25,10.25,10.35,15,1.5,160,7.417,平均周轉(zhuǎn)時間T40分鐘，平均周轉(zhuǎn)系數(shù)W1.854,31,2.2 作業(yè)控制方式,脫機作業(yè)控制：作業(yè)輸入控制說明書，整個作業(yè)的運行由系統(tǒng)控制 控制說明書用作業(yè)控制語言（JCL）編寫 聯(lián)機作業(yè)控制：通過聯(lián)機命令控制語言和會話式程序設(shè)計語言控制作業(yè)運行 用戶登錄（控制臺登錄或遠程登錄）后，由系統(tǒng)自動執(zhí)行一些命令腳本后，并進入shell（字符或GUI界面），接受用戶的命令和操作，最后退出系統(tǒng)。,32,2.2 作業(yè)控制方式,MS-DOS的作業(yè)控制 DOS命令處理程序： 命令類型： 內(nèi)部

15、命令（dir，cd等）； 外部命令（以com和exe為后綴的文件，如format等）； 批處理命令（以bat為后綴名，如autoexec.bat） 輸入/輸出重定向（, ） 管道（ | ）,33,2.2 作業(yè)控制方式,UNIX的作業(yè)控制 Shell命令 命令行：與DOS類似，分為內(nèi)部命令（cd等）和外部命令（ls等） 保留字：do，if，while等 Shell變量：PATH，PWD 通配符：*, ? Shell腳本文件 類似DOS的批處理文件 輸入/輸出重定向和管道 ,|,34,2.2 作業(yè)控制方式,1. 命令行 一行可有一個或多個命令：每次一行，包含一個或多個命令。 如： ls -a l

16、列出當前目錄文件列表 cp -r doc /tmp 含子目錄的文件復(fù)制,/tmp為目標地址,35,2.2 作業(yè)控制方式,命令分成：內(nèi)部命令和外部命令 內(nèi)部命令：直接由shell本身完成，功能簡單、使用頻繁； 如：DOS的copy命令。 外部命令：運行相應(yīng)的可執(zhí)行文件（后者功能或版本 與shell無關(guān)） 如：DOS的xcopy命令。 利用參數(shù)替換可簡化命令輸入：通配符(?, *)用于匹配一組文件名。例如：UNIX的cp命令：當前目錄上有兩個“1.tar”和“2.tar”，“cp *.tar /tmp”等同于“cp 1.tar /tmp; cp 2.tar /tmp”,36,2.2 作業(yè)控制方式,

17、2. 環(huán)境變量 環(huán)境變量(environment variable)應(yīng)用進程地址空間中的特殊變量區(qū)。 環(huán)境變量是傳遞參數(shù)的另一種途徑。如： cd $HOME; (HOME為一個環(huán)境變量) 環(huán)境變量可按名字訪問，可以新建、賦值或撤銷。 有效范圍：只對本進程里的環(huán)境變量能夠直接進行操作。此外，在執(zhí)行新進程時（UNIX中是exec()調(diào)用），可以給出環(huán)境變量的初始值，通常就是直接復(fù)制當前進程的所有環(huán)境變量繼承。,37,2.2 作業(yè)控制方式,環(huán)境變量也可以作為shell的參數(shù)，如命令提示符的式樣，外部命令的查找目錄路徑等。 如：PATH=/bin:/usr/bin:/usr/sbin:. HOME=/

18、home/thisuser 通過系統(tǒng)調(diào)用接口也可使用系統(tǒng)命令。 C語言里的system()函數(shù)：調(diào)用shell來完成命令。如 UNIX系統(tǒng)： system(“cp -r doc /tmp”),38,2.2 作業(yè)控制方式,環(huán)境變量：set PATH=c:tools； PATH=c:tools;c:dos 系統(tǒng)引導(dǎo)時加載：autoexec.bat 2. DOS批處理：由執(zhí)行 BAT文件(batch)： 有簡單的變量替換，有條件轉(zhuǎn)移和跳轉(zhuǎn)、循環(huán)；注釋語句rem 循環(huán)：循環(huán)執(zhí)行命令。 如下面批處理將顯示當前目錄及其子目錄所有文件名； echo off for /R %f in (*.*) do ech

19、o %f,39,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,程序級接口系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給軟件開發(fā)人員的接口，開發(fā)人員可利用它使用系統(tǒng)功能，用戶在編寫程序時使用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)功能調(diào)用。OS核心中都有一組實現(xiàn)系統(tǒng)功能的過程（子程序），系統(tǒng)調(diào)用就是對上述過程的調(diào)用。 系統(tǒng)調(diào)用及實現(xiàn) 程序的狀態(tài)：計算機系統(tǒng)中的程序大體上分為系統(tǒng)程序和用戶程序，前者是后者的管理者。為了便于管理，引入了 管態(tài)（系統(tǒng)態(tài)）：操作系統(tǒng)程序運行的狀態(tài) 算態(tài)（目態(tài)）：用戶程序運行的狀態(tài),40,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,特權(quán)指令：特權(quán)指令是一類只能在管態(tài)下執(zhí)行而不能在算態(tài)下執(zhí)行的特殊的指令。這些指令在不同的機器中有不同的規(guī)定，通常與硬件有很大的關(guān)系

20、，常見的特權(quán)指令有如下幾類： 傳送程序狀態(tài)字的指令 啟動、測試和控制外設(shè)的指令 存取特殊寄存器的指令 系統(tǒng)功能調(diào)用 訪管指令：本身不是特權(quán)指令，基本功能是“自愿進管”，能引起訪管中斷。 系統(tǒng)功能調(diào)用就是用戶在程序中用訪管指令調(diào)用由操作系統(tǒng)提供的子功能集合。有時把其中的每一個子功能稱為一條廣義指令。,41,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)過程,42,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用與一般過程調(diào)用的區(qū)別 運行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)：一般的過程調(diào)用，其調(diào)用和被調(diào)用的過程都運行在同一狀態(tài)下，即管態(tài)或目態(tài)；而系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用過程是用戶程序，運行在用戶態(tài)，其被調(diào)用過程是系統(tǒng)過程，運行在系統(tǒng)態(tài)。 進入方式不同：一

21、般的過程調(diào)用可直接由調(diào)用過程轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程；而執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時只能通過軟中斷機制，先進入操作系統(tǒng)核心，才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序。,43,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用與一般過程調(diào)用的區(qū)別 返回問題：一般的過程調(diào)用，當被調(diào)用過程執(zhí)行完后，將返回到調(diào)用過程繼續(xù)執(zhí)行。然而在采用搶先式調(diào)度的系統(tǒng)，在系統(tǒng)調(diào)用返回時，要進行重新調(diào)度的檢查是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒。 嵌套或遞歸調(diào)用：對系統(tǒng)調(diào)用，一般不允許在同一個進程中發(fā)生嵌套或遞歸（不同進程可以重入同一個系統(tǒng)調(diào)用）。,44,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用的功能 設(shè)備管理：設(shè)備的讀寫與控制 文件管理：文件讀寫、文件控制和文件保護 進程控制：創(chuàng)建、終止、暫停等控

22、制 進程通信：消息隊列、共享存儲區(qū)、socket等通信渠道的建立、使用和刪除 存儲管理：內(nèi)存的申請和釋放 系統(tǒng)管理：設(shè)置和讀取時間、讀取用戶和主機標識等,45,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,1）文件管理：文件讀寫和文件控制,46,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,2）進程控制：創(chuàng)建、中止、暫停等控制；,3）進程通信：消息隊列、共享存儲區(qū)、socket等通信渠道的建立、使用和刪除；,4）存儲管理：內(nèi)存的申請和釋放；,47,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,5）系統(tǒng)管理：設(shè)置和讀取時間、讀取用戶和主機標識等；,48,2.3 系統(tǒng)功能調(diào)用,6）設(shè)備管理：設(shè)備的讀寫和控制；,49,2.4 圖形用戶接口,GUI, Graphic User Interface：由窗口系統(tǒng)提供GUI的一般功能，操作直觀，用戶不必記憶具體的命令及參數(shù)，可與多個進程交互，便于進行多媒體處理。窗口管理器是窗口系統(tǒng)所提供功能的一種特定實現(xiàn)。 Xwindow系統(tǒng)：M I T開發(fā)，以Client-Server結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，面向網(wǎng)絡(luò)的窗口系統(tǒng)。,50,2.4 圖形用戶接口,51,