操作系統(tǒng)原理方敏作業(yè)管理和用戶接口.ppt

1、第二章 作業(yè)管理和用戶接口,操作系統(tǒng)課程組,第2頁,內(nèi)容回顧,第一章：操作系統(tǒng)概述 操作系統(tǒng)的定義 操作系統(tǒng)的特征 操作系統(tǒng)的發(fā)展 操作系統(tǒng)的分類 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)) 介紹了幾種常用的操作系統(tǒng)：DOS、Windows、Unix及Linux,第3頁,一、作業(yè)的組織和管理,什么是作業(yè)(Job)？ 用戶角度：在一次算題過程中或者一個(gè)事務(wù)處理過程中從輸入程序和數(shù)據(jù)到輸出結(jié)果，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所做工作的總和。 系統(tǒng)角度（批處理系統(tǒng)）：作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書組成的，系統(tǒng)的任務(wù)是針對作業(yè)進(jìn)行資源分配。 教材中的定義：作業(yè)是用戶在一次算題過程中或者一個(gè)事務(wù)處理過程中要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所做工作的

2、總和，它是用戶向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提交一項(xiàng)工作的基本單位。為理解方便我們可以將作業(yè)看作是一個(gè)任務(wù)。,第4頁,一、作業(yè)的組織和管理,例子：到ATM機(jī)取款（作業(yè)） 可能的步驟,驗(yàn)證卡的有效性,查詢余額,輸入提取金額,退 卡,第5頁,一、作業(yè)的組織和管理,作業(yè)的組成 作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)控制信息（作業(yè)說明書）三部分組成。 作業(yè)說明書主要提供給批處理作業(yè)用戶使用，它體現(xiàn)用戶對作業(yè)的控制意圖，包括： 作業(yè)基本情況：用戶名、作業(yè)名、編程語言、最大處理時(shí)間等。 作業(yè)控制描述：作業(yè)控制方式、作業(yè)步的操作順序、作業(yè)執(zhí)行出錯(cuò)處理。 作業(yè)資源要求描述：處理時(shí)間、優(yōu)先級、內(nèi)存空間、外設(shè)類型和數(shù)量、實(shí)用程序要求等。 作業(yè)說明

3、書要使用專門的作業(yè)控制語言(JCL)書寫。,第6頁,一、作業(yè)的組織和管理,作業(yè)的處理過程,Job,第7頁,一、作業(yè)的組織和管理,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(gè)后備作業(yè)的過程。 作業(yè)的輸出：指將作業(yè)執(zhí)行的結(jié)果由系統(tǒng)經(jīng)輸出設(shè)備輸出的過程。 分類： 聯(lián)機(jī)輸入/輸出：由主機(jī)(CPU)直接控制輸入/輸出。效率低下，資源不能得以充分利用。 脫機(jī)輸入/輸出,第8頁,一、作業(yè)的組織和管理,主機(jī),第9頁,一、作業(yè)的組織和管理,SPOOLing系統(tǒng) 即外圍設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作(Simultaneous Peripheral Operation On Line

4、) ，又稱為假脫機(jī)。兼具脫機(jī)和聯(lián)機(jī)方式的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)方式下的主機(jī)和外圍設(shè)備的同時(shí)工作。 技術(shù)基礎(chǔ)：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，通道技術(shù)。 通道技術(shù)：外設(shè)和主機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送的一種方式。,第10頁,一、作業(yè)的組織和管理,思想：利用一個(gè)進(jìn)程來模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)的功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；同時(shí)再利用另一個(gè)進(jìn)程來模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上，這樣，便可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。 SPOOLing系統(tǒng)由以下三部分構(gòu)成：,輸入井,CPU,SPOOLing系統(tǒng),輸入設(shè)備,輸出井,輸出設(shè)備,第11頁,一、作業(yè)的組織和管理,SPOOL

5、ing系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 提高了I/O速度。類似脫機(jī)輸入/輸出，緩和CPU和I/O速度之間的矛盾。 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。SPOOLing系統(tǒng)中所謂的設(shè)備分配只是在輸入輸出井中分配一個(gè)存儲區(qū)和建立一張I/O請求表而已。 實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。多個(gè)進(jìn)程共享一臺獨(dú)立設(shè)備。,第12頁,一、作業(yè)的組織和管理,Job,輸入,后備,執(zhí)行,完成,作業(yè)注冊,作業(yè)輸入,作業(yè)調(diào)度,進(jìn)程調(diào)度,作業(yè)終止,第13頁,一、作業(yè)的組織和管理,作業(yè)注冊（作業(yè)錄入） 為每個(gè)作業(yè)創(chuàng)建作業(yè)控制塊(JCB, Job Control Block) JCB是系統(tǒng)中作業(yè)存在的唯一標(biāo)志，是系統(tǒng)為管理作業(yè)設(shè)置的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，里面記錄有與作業(yè)相關(guān)的各

6、種信息，只有當(dāng)作業(yè)退出系統(tǒng)時(shí)，JCB才被撤銷。 JCB內(nèi)容： 標(biāo)識信息：作業(yè)名，用戶名，用戶帳號； 狀態(tài)信息：提交、后備、執(zhí)行、就緒、等待、完成； 調(diào)度參數(shù)：優(yōu)先級； 資源需求量； 其它控制信息。,第14頁,一、作業(yè)的組織和管理,將作業(yè)放入作業(yè)后備隊(duì)列,第15頁,一、作業(yè)的組織和管理,Job,輸入,后備,執(zhí)行,完成,作業(yè)注冊,作業(yè)輸入,作業(yè)調(diào)度,進(jìn)程調(diào)度,作業(yè)終止,第16頁,一、作業(yè)的組織和管理,作業(yè)調(diào)度 系統(tǒng)調(diào)度一般分三種：高級調(diào)度，中級調(diào)度，低級調(diào)度。作業(yè)調(diào)度屬于“高級調(diào)度”，也稱為宏觀調(diào)度，其功能為：檢查系統(tǒng)是否滿足作業(yè)的資源要求，并按一定算法選取作業(yè)。 當(dāng)作業(yè)調(diào)度程序選擇到一個(gè)作業(yè)時(shí)，

7、作業(yè)只是有資格獲得處理機(jī)，但不一定立刻就能占有運(yùn)行。何時(shí)能夠真正運(yùn)行由“進(jìn)程調(diào)度”策略決定。,第17頁,一、作業(yè)的組織和管理,調(diào)度算法 單道批處理系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度算法 單道批量處理系統(tǒng)中作業(yè)調(diào)度的主要任務(wù)是有效地實(shí)現(xiàn)作業(yè)之間銜接，盡量提高系統(tǒng)資源利用率，減少操作人員的干予。在單道批量處理中，通常采用下述三種算法：,第18頁,一、作業(yè)的組織和管理,第19頁,一、作業(yè)的組織和管理,多道批處理系統(tǒng)作業(yè)調(diào)度算法 在多道批量處理系統(tǒng)中，為提高處理機(jī)的利用率，改善主存和I/O設(shè)備的利用情況，作業(yè)調(diào)度程序可以選擇多個(gè)作業(yè)同時(shí)執(zhí)行。通常采用以下兩種作業(yè)調(diào)度算法： 優(yōu)先級調(diào)度算法。為了照顧時(shí)間要求緊迫的作業(yè)和“I/

8、O繁忙”的作業(yè)，系統(tǒng)為作業(yè)設(shè)置優(yōu)先級，并根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。 均衡調(diào)度算法。這種算法的基本思想是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況和作業(yè)本身的特性對作業(yè)進(jìn)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。,第20頁,一、作業(yè)的組織和管理,調(diào)度算法的評價(jià)因素 吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)CPU完成作業(yè)的數(shù)量。 CPU利用率：從0100。 周轉(zhuǎn)時(shí)間：評價(jià)批處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 周轉(zhuǎn)時(shí)間： Ti 作業(yè)完成時(shí)刻 作業(yè)提交時(shí)刻 例如：作業(yè)Ji 8:00提交，執(zhí)行時(shí)間為1小時(shí)，10:00運(yùn)行結(jié)束， 則其周轉(zhuǎn)時(shí)間Ti 10:008:00 2 (hours

9、) 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間,第21頁,一、作業(yè)的組織和管理,周轉(zhuǎn)系數(shù)： Wi Ti / 作業(yè)執(zhí)行時(shí)間 例如上面的作業(yè)Ji的周轉(zhuǎn)系數(shù)Wi 2 / 1 2 平均周轉(zhuǎn)系數(shù)：,第22頁,一、作業(yè)的組織和管理,調(diào)度算法的選擇 作業(yè)調(diào)度算法是一個(gè)策略問題，有時(shí)很難做到兼頤所有因素，所以在進(jìn)擇算法時(shí)應(yīng)著重考慮對系統(tǒng)至關(guān)重要的因素，可以犧牲某些次要因素，以達(dá)到較好的性能。建議如下： 選擇的調(diào)度算法應(yīng)與系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。例如，批量處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同。 注意系統(tǒng)資源的均衡使用，使“I/O繁忙”的作業(yè)和“CPU繁忙”的作業(yè)搭配起來執(zhí)行。 平衡系統(tǒng)和用戶的要求。系統(tǒng)和用戶的要求往往是矛盾的對立

10、雙方，確定算法時(shí)要盡量子以緩和雙方的矛盾。對用戶來說，作業(yè)能“立即執(zhí)行”往往難以做到，但是應(yīng)保證進(jìn)入系統(tǒng)的作業(yè)在規(guī)定的截止時(shí)間內(nèi)完成，而且系統(tǒng)應(yīng)設(shè)法縮短作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。,第23頁,一、作業(yè)的組織和管理,作業(yè)調(diào)度算法性能分析 單道程序環(huán)境下作業(yè)調(diào)度的性能 假設(shè)有4個(gè)作業(yè)，提交時(shí)刻、執(zhí)行時(shí)間分別如下：,第24頁,一、作業(yè)的組織和管理,先來先服務(wù)調(diào)度算法,第25頁,一、作業(yè)的組織和管理,最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法,第26頁,一、作業(yè)的組織和管理,響應(yīng)比高者優(yōu)先算法,第27頁,結(jié)論：就平均周轉(zhuǎn)時(shí)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。,第28頁,一、作業(yè)的

11、組織和管理,多道程序環(huán)境下作業(yè)調(diào)度的性能 假設(shè)一個(gè)兩道作業(yè)批處理系統(tǒng)，現(xiàn)有4個(gè)作業(yè)，提交時(shí)刻、執(zhí)行時(shí)間分別如下： 調(diào)度過程分為兩步： 1）作業(yè)調(diào)度：假設(shè)在此使用短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法 2）處理機(jī)調(diào)度：采用搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法，規(guī)定 短作業(yè)享有較高優(yōu)先級。,第29頁,一、作業(yè)的組織和管理,time,Job,1,2,3,4,10:00,11:20,10:05,10:25,10:35,10:55,第30頁,二、作業(yè)控制方式,作業(yè)的分類 脫機(jī)作業(yè)脫機(jī)作業(yè)控制方式 聯(lián)機(jī)作業(yè)聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式 脫機(jī)作業(yè)控制方式 方法：使用作業(yè)說明書JCL書寫,第31頁,二、作業(yè)控制方式,聯(lián)機(jī)作業(yè)控制方式 特點(diǎn)：交互式 方法 命

12、令方式 MS-DOS：DOS命令，如“dir” “cd” “copy”等 UNIX：shell命令，如“l(fā)s” “cd” “cp”等 圖形接口 Windows: GUI界面 UNIX: Xwindows,第32頁,三、用戶接口,用戶接口分類,提供對作業(yè)的控制功能。最初是命令驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)在多采用圖形及視窗操作環(huán)境。,系統(tǒng)專門為用戶設(shè)置的獲得操作系統(tǒng)服務(wù)的一種途徑，通常由系統(tǒng)調(diào)用組成，編程時(shí)常用。,第33頁,三、用戶接口,程序級接口（系統(tǒng)功能調(diào)用）,子功能,OS,系統(tǒng)功能調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給程序設(shè)計(jì)人員的一種服務(wù)。程序設(shè)計(jì)人員在編寫程序時(shí)，可以利用系統(tǒng)調(diào)用來請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。 目的：方便用戶使用

13、。,程序,第34頁,三、用戶接口,系統(tǒng)調(diào)用原理 系統(tǒng)中的程序類型及狀態(tài),第35頁,三、用戶接口,系統(tǒng)功能調(diào)用,問題？ 1、用戶程序如何由算態(tài)進(jìn)入管態(tài)？ 2、在管態(tài)下完成工作后如何返回算法繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)？,第36頁,三、用戶接口,基本調(diào)用過程,訪管指令,中斷機(jī)構(gòu),保護(hù)現(xiàn)場,將狀態(tài)置 為“管態(tài)”,系統(tǒng)子程序,恢復(fù)現(xiàn)場,訪管中斷,系統(tǒng)功能調(diào)用：就是用戶在程序中使用“訪管指令”調(diào)用由操作系統(tǒng)提供的子功能集合。其中每一個(gè)系統(tǒng)子功能稱為一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用命令，也叫廣義指令。,第37頁,三、用戶接口,系統(tǒng)功能調(diào)用與普通過程調(diào)用的區(qū)別 系統(tǒng)調(diào)用本質(zhì)上是一種過程調(diào)用，但它是一種特殊的過程調(diào)用，與一般用戶程序中的過程調(diào)用有明顯的區(qū)別 。 運(yùn)行狀態(tài)不同。系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用過程和被調(diào)用過程運(yùn)行在不同的狀態(tài)，而普通的過程調(diào)用一般運(yùn)行在相同的狀態(tài)。 調(diào)用方法不同。系統(tǒng)調(diào)用必須通過軟中斷機(jī)制首先進(jìn)入系統(tǒng)核心，然后才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的命令處理程序。普通過程調(diào)用可以直接由調(diào)用過程轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程。 返回問題。在采用搶先式調(diào)度的系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)，要重新進(jìn)行調(diào)度分析是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒。普通的過程調(diào)用直接返回調(diào)用過程繼續(xù)執(zhí)行。,第38頁,三、用戶接口,系統(tǒng)調(diào)用