操作系统第二章（新版）课件

Klepnutm lze upravit styly pedlohy textu.,Druh rove,Tet rove,tvrt rove,Pt rove,制作者：郭平、王在模、何静媛,重庆大学计算机学院 操作系统教程,精品课程系列-计算机学院版权所有,第,2,章 操作系统用户界面,操作系统作为用户提供两种接口，其中一类是为一般用户提供的操作命令接口，另一类为提供给编程人员的系统调用（,system call）,接口,命令调用,系统调用,用户接口的发展,第2章 操作系统用户界面 操作系统作为用户提供两种接口，,命令调用方式,命令形式,内部命令,系统启动时与操作系统一起装入内存,OS,的一部分,例,DOS：Type,Dir,copy,Windows:,资源管理器中的菜单、按钮，,外部命令,以文件形式存放，调用时装入内存,例,DOS：Edit,Windows:,桌面上的图标，快捷方式（图标），,命令调用方式命令形式,Linux,与,windows,的命令控制界面,-linux,的命令控制界面,图形化的窗口系统：,X-window,。,shell,程序,:,交互性的命令解释程序；,命令级的程序设计语言解释系统。,Linux 与windows的命令控制界面-linux的,Windows,的命令控制界面,Windows,的命令控制界面可分为两部分：,-,命令解释器部分,（,cmd.exe,相当与,linux,的,shell,）,-,窗口交互部分,Windows的命令控制界面Windows的命令控制界面可分,系统调用,系统调用的含义,系统调用是操作系统为编程人员提供的接口,，各种操作系统的核心中都设计有一组一组的用于实现各种系统功能的,子程序作为机器指令的扩充,。系统将这些子程序,“,开放,”,给用户，方便用户可靠地调用系统有关的资源，而用户不必从头熟悉或重新编写子程序。每当用户在程序中需要操作系统提供某种服务是，便可利用一条条相应的系统调用命令，去调用所需的系统过程。,例,DOS：,库函数，,Windows:API，,系统调用系统调用的含义,系统调用的分类（书,P32）,设备管理,文件管理,进程管理,进程通信,存储管理,调用中的几个概念,陷入（访管）指令,把由于系统调用引起的处理机中断的指令称为陷入（访管）指令。,用户态（目态）,处理机在用户程序中执行,系统态（管态）,处理机在系统程序中执行,系统调用的分类（书P32）,系统调用的处理过程,访管指令由,“,参数区,”,、,“,参数,”,和,“,操作数,”,组成。,“,操作数,”,用来表示请求操作系统所要干的工作，并说明是否要有参数区和具体参数。参数或参数区的首址通常约定放在某个通用寄存器中,CPU,执行到,“,访管,”,指令时，将,“,访管,”,指令存入主存中的约定单元，然后产生,“,访管,”,中断，根据参数区、参数和操作数引出操作系统来处理,“,访管,”,中的具体要求。,系统调用的处理过程,用户程序 陷入处理机构 系统子程序,用户程序 陷入处理机构,Linux,与,windows,的系统调用,Linux,中的系统调用：,核心函数：,实现系统调用的共享代码，驻留内存,接口函数：,提供应用程序,API,接口，给核心函数提供调用号、入口参数地址。,Linux与windows的系统调用Linux中的系统调用：,Windows,的系统调用,Window中的系统调用被编写成不同的函数后放入动态链接库DLL中，这些文件构成了应用编程接口API。,Windows的系统调用Window中的系统调用被编写成不同,用户接口（界面）的发展,用户界面的发展,第一代用户界面为一维界面，主要有命令行界面和编程人员在程序中的系统调用，如,DOS,及,UNIX,均采用此种界面方式。,第二代用户界面为二维界面又称为图形界面，以窗口（,windows）,图标（,icon）、,菜单（,menu）,为典型特征，由,APPLE,公司开创，以,Microsoft,公司的,MS-Windows,为里程碑，在,UNIX,系统下有,X-window。,第三代用户界面为三维界面，又称为虚拟现实（,virtual reality），,如三维动画设计、可视电话及网络视频会议等。,界面管理的任务,作为面向最终用户的,“,作业,”,管理来看，用户界面已经成为计算机系统的一个重要组成部分，是计算机科学与心理学、图形艺术和人类学的交叉研究领域。寻求最佳的人机通信方式已是多媒体、虚 现实和科学计算、可视化等技术所追求的目标，也是界面管理的、最终任务。,用户接口（界面）的发展用户界面的发展,2、作业的概念,作业（,job）,用户角度,我们把一次应用业务处理过程中，从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作称为一个作业。,系统角度,从计算机系统的角度看，作业是一个比程序更广的概念，它由程序、数据和作业说明书三部分组成。,系统通过作业说明书控制文件形式的程序和数据，使之操作和执行。在批处理系统中，作业是抢占内存的基本单位。也就是说，批处理系统是以作业为单位把程序和数据调入内存以便执行的。,2、作业的概念作业（job）,作业步（,job steps）,用户把要求计算机系统做的一项相对独立的工作叫做一个作业步。例如图中，编译、链接、执行就是作业步。,作业由不同的顺序相连的作业步组成，一般来说，每一个作业产生下一个作业步的输入文件。,作业同步（,job synchronization）,所谓作业同步是指在一个作业中，下一个作业步能否执行下去，取决于前一个作业步是否成功完成。,作业流（,job stream）,在系统控制下，将一批作业依此输入到后援存储器中等待运行，这样就形成了一个作业流。,作业步（job steps）,作业类型（,job type）,用户作业分为两大类,批量型作业可分为两种，利用作业说明书实行自动控制方式的作业称为脱机作业；利用控制台键盘操作命令直接控制的作业称为联机作业。,终端型作业又称为交互型或会话型作业，通常在分时操作系统环境下运行，用户在终端上利用键盘命令控制和监督作业的运行，而系统把作业运行的情况和结果也及时反馈在用户终端上。在大型的操作系统中，常把终端用户作业称为,“,前台,”,作业，把批量型作业称为,“,后台,”,作业。,作业类型（job type）,作业说明书,作业说明书主要包括三方面的内容，即作业的基本描述、作业控制描述和资源要求，它由系统提供的控制命令及相关参数并按规定的语法书写,作业基本情况描述,用户名,作业名,使用语言名,允许最大处理时间,等等,作业控制描述,控制方式,操作顺序,出错处理,等等,作业资源要求描述,要求处理时间,内存空间,外存类型和数量,处理机优先级,库函数或实用程序,等等,作业说明书,用户作业输入方式,联机输入方式,联机输入方式大多用于交互式系统中，用户和系统通过交互会话方式输入作业。近年来由于多媒体技术（,Multi-Media）,的发展，逐步形成了手写输入、语音输入、光电输入等输入方式。,脱机输入方式,脱机输入方式又称为预处理方式，脱机输入方式利用低档个人计算机进行输入处理。在低档个人机上，用户通过联机方式把作业首先输入到后援存储器，如磁盘或磁带上；然后，用户把装有输入数据的后援存储器拿到主机的高速外围设备上和主机相连，从而在较短的时间内完成作业的输入。,脱机输入方式的优点是解决了作业的快进快出，相应提高了,CPU,的利用率。但其缺点也是明显的，主要有：,需要人工干预，出错率受人的因素影响,增加了作业周转时间,不易实现优先级调度算法,用户作业输入方式,直接藕合方式,它用一个大容量的共用存储器，把多台用作输入的低档机、共用存储器和主机固定连接起来，保留了脱机输入方式的优点，又克服了该方式需人工干预的缺点。,低档机,低档机,共用存储器,主机,直接藕合方式低档机低档机共用存储器主机,假脱机输入方式,假脱机技术(,SPOOLing,或,SPOOLer),SPOOLing,技术实际上是一种外围设备同时联机操作技术（,simultaneous peripheral operation on-line）,的缩写。又称为排队转儲技术。,工作原理,SPOOLing,系统既不同于脱机方式，也不同于直接藕合方式。它在输入和输出之间增加了,“,输入井,”,和,“,输出井,”,的排队转儲环节，以消除用户的,“,联机,”,等待时间。在系统输入模块收到作业输入请求信号后，输入管理模块中的读过程负责将信息从输入装置中读入输入井缓冲区。当缓冲区满时，由写过程将信息从缓冲区写到外存的输入井中，读过程和写过程反复循环，直到一个作业输入完毕。当读过程读到一个硬件结束标志之后，系统再次驱动写过程把最后一批信息写入外存输入井并调用中断处理程序结束该次输入。然后，系统为该作业建立作业控制块，从而使输入井中的作业进入作业等待队列，等待作业调度程序选中后进入内存运行。系统在管理输入井过程中可以,“,不断,”,读入输入的作业，直到输入结束或输入井满而暂停。,假脱机输入方式,外 存,输入井 输出井,输入装置,输入装置,通,道,通,道,输出装置,输出装置,通 道,主机系统,输入管理,模块,输出管理,模块,SPOOLING,系统,外 存输入装置输入装置输出装置输出装置,网络输入方式,当用户需要从计算机网络中将 一台计算机的信息要求传送到联网的另一台主机上进行浏览（,Browser）,操作或执行下载（,Download）,等任务要求时，就构成网络输入方式。主要涉及网络通信技术。,网络输入方式,4、作业的管理和调度,作业的状态和处理流程,作业从录入到输出在计算机中经历不同的阶段，相应地处于不同的状态。状态的变化反映了作业的处理流程,见教材,86,页图,4.1,作业控制块,-,作业控制块（,JCB，Job Control Block),是系统感知作业存在的标志,4、作业的管理和调度作业的状态和处理流程见教材86页图4.,作业控制块的结构,作业在作业管理中是系统分配资源的基本单位，对收容状态的作业调度算法,确定何时开始执行,作业控制块的结构作业在作业管理中是系统分配资源的基本单位，对,调度的层次,处理机的调度一般可以分为,4,级：,（,1,）作业调度,（,2,）交换调度,（,3,）进程调度,（,4,）线程调度,调度的层次处理机的调度一般可以分为4级：,作业调度功能,采用作业控制块（,JCB）,表格，记录系统中各作业工作状况；,根据选定的调度算法，从后备作业中选出一部分（多道情况）或一个作业投入运行；,为被选中的作业做好运行前的准备，包括建立系统相应的,“,进程,”,执行单元以及为这些,“,进程,”,分配系统资源，首先判断用户的资源要求是否能够满足；,作业处理后的善后处理工作，例如，回收资源和记帐等工作,作业调度功能,作业调度中状态的转换过程,见书本,89,页图,4.3,作业调度中状态的转换过程见书本89页图4.3,调度算法设计的目标,系统尽量大的吞吐量,CPU,保持忙,I/O,保持忙,对所有类型的作业尽量公平,设计调度算法要考虑的主要因素,算法应符合系统的总目标,资源使用均衡，系统效率尽量高,保证进入系统的作业在规定的时间内完成,调度算法设计的目标,常用的作业调度算法,先来先服务（,first come first serve,FCFS）,作业执行次序与作业进入输入井次序相同。,优点,实现简单,对相同的或均衡的作业较为合理,缺点,不利于运行时间短的作业。,最短作业优先法（,shortest job fist,SJF）,最短作业优先法也就是选,t,i,值小的优先，也就是只考虑运行时间。,优点,短作业得到了优先执行，提高了系统的效率。,缺点,当作业不断进入时，长的作业有可能长时间等待,常用的作业调度算法,最高响应比优先法（,highest response-ratio next,HRN）,最高响应比优先法（,HRN）,是对,FCFS,方式和,SJF,方式的一种综合平衡。,HRN,调度策略调度同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。,响应比或称响应系数比,R,定义下：,R=（W+T）/T=1+W/T,其中,T,为该作业估计需要的执行时间，,W,为作业在后备状态队列中的等待时间。,优点,同时具有,FCFS,算法及,SJF,算法的优点,缺点,实现复杂，每次调度前要对所有作业扫描一遍，比较以后再调度。,最高响应比优先法（highest response-rati,算法评价,作业,i,的周转时间,T,i,=,作业完成时间-作业提交时间,最短周转时间=,minT,i,最长周转时间=,maxT,i,平均周转时间,平均带权周转时间(,w,i,0,是权值，且,W,i,=1,),最后结束时间=,max,作业完成时间,其中,W,i,=T,i,/T,ri,T,ri,为执行时间,算法评价其中Wi=Ti/Tri,Tri为执行时间,例题:,有5个作业，它们进入后备作业队列的到达时间如下所示，采用先来先服务的作业调度算法，求每个作业的周转时间以及它们的平均周转时间。,作业,达到时间,所需,CPU,时间,1,101,07,2,103,05,3,105,04,4,106,04,5,107,02,例题:作业达到时间所需CPU时间 1 101 0,解：,按照先来先服务的作业调度算法，调度的顺序为1，2，,3，4，5，每个作业的完成时间和周转时间如下所示：,作业,到达时间,所需,CPU,时间,完成时间,周转时间,1,101,07,108,07,2,103,05,113,1,3,105,04,117,12,4,106,04,121,15,5,107,02,123,16,不难算出它们的平均周转时间是1.2。,解：作业到达时间所需CPU时间完成时间周转时间 1101,例题:,有5个作业，它们进入后备作业队列的到达时间如下所,示。采用最短作业优先的作业调度算法，求每个作业的周转时,间以及它们平均周转时间。,作业,达到时间,所需,CPU,时间,1,101,07,2,103,05,3,105,04,4,106,04,5,107,02,例题:作业达到时间所需CPU时间 1 101 07,解：,按照短作业优先的作业调度算法，因为作业1首先到达，首先应该调度,作业1进入内存运行，它的周转时间,T,1,是 0.7。在它于,CPU,时间10.8,完成时，作业2、3、4、5都已经在后备队列中等候，因此，此时的调,度顺序应该是：5、3、4、2。作业5在时刻10.8进入内存，运行0.2,后结束，因此它的周转时间,T,5,=(,完成时间-到达时间)=11.0-10.7=0.3，,每个作业的完成时间和周转时间如下所示：,作业,到达时间,所需,CPU,时间,进入内存时间,完成时间,周转时间,1,101,07,101,108,07,2,103,05,118,123,2,3,105,04,110,114,09,4,106,04,114,118,12,5,107,02,108,110,03,不难算出它们的平均周转时间为1.02。,解：作业到达时间所需CPU时间进入内存时间完成时间周转时间,例题,有4个作业，它们进入后备作业队列的到达时间如下图所示，采用最高响应比优先算法，求每个作业的周转时间以及它们的平均周转时间。,作业,到达时间,所需,CPU,时间,1,80,2,2,85,05,3,90,01,4,95,02,例题 作业到达时间所需CPU时间 1802 28,解：,刚开始，后备作业队列中只有作业1，因此立即将它投入运行，它于,CPU,时间10完成。开始重新调度时，作业2、3、4都已经达到,后备队列。根据最高响应比优先的调度算法，应该计算这一时刻,这三个作业各自具有的响应比。比如对于作业2，它是,CPU,时间,8.5达到后备队列的，现在是,CPU,时间10.0，它已经等待了,(10.0-8.5)=1.5。它所需的运行时间是0.5。因此该时刻它的响,应比是1.5/0.5=3。下表给出了这一时刻三个作业各自的已等待,时间和响应比。由于这是作业3具有最高的响应比，因此它是第2个调度的对象。,解：,作业,到达时间,所需,CPU,时间,已等待时间,响应比,2,85,05,15,3,3,90,01,1,10,4,95,02,05,25,当前,CPU,时间=10.0,作业到达时间所需CPU时间已等待时间响应比 2850,作业3在,CPU,时刻10.1运行完毕，作业2和作业4是参与调,度的对象，此时，它们的已等待时间和各自响应比如下表所示。可以看出，这次选中的应该是作业2，因为它的响应比是3.2。,作业,到达时间,所需,CPU,时间,已等待时间,响应比,2,85,05,16,32,4,95,02,06,3,当前,CPU,时间=10.1,作业3在CPU时刻10.1运行完毕，作业2和作业4是参,作业2在,CPU,时刻10.6完成.作后调度运行的作业是作业4,它在,CPU,时刻10.8完成.于是,这4个作业的完成时间和周转时间如下表所示:,作业,进入内存时间,完成时间,周转时间,1,8.0,10.0,2,2,10.1,10.6,2.1,3,10.0,10.1,1.1,4,10.6,10.8,1.3,这4个作业的平均周转时间为1.625。,作业2在CPU时刻10.6完成.作后调度运行的作业是作业4,例,假设某多道程序设计系统有供用户使用的主存空间100,K，,磁带机2台，打印机1台。系统采用可变分区方式管理主存，对磁带机和打印机采用静态分配。现有一作业序列如下：,例,假设采用先进先出调度算法，优先分配主存的低地址区且不准移动已在主存中的作业，在主存中的作业平分,CPU,时间。请回答：,作业调度的次序,最大的作业周转时间,最小的作业周转时间,作业平均周转时间,作业全部执行结束的时间,假设采用先进先出调度算法，优先分配主存的低地址区且不准移动已,作业执行分析,作业执行分析,作业调度的次序：1，3，4，2，5,周转时间计算,最大的作业周转时间=55分钟,最小的作业周转时间=30分钟,作业平均周转时间=43分钟,作业全部执行结束的时间=9:30,作业调度的次序：1，3，4，2，5,5、作业管理在,OS,中的地位,作业管理是,OS,中对业务处理的宏观管理,批处理,OS,中，作业管理是其主要任务之一。,OS,通过作业说明书来调度和管理作业。,分时系统中，由于人机交互，作业管理的功能减弱，各作业步常由交互方式由人工控制和完成。,通用,OS,中，有作业管理模块。用户可以选择人机交互方式或作业管理方式。,5、作业管理在OS中的地位作业管理是OS中对业务处理的宏观,重点小结,熟悉人机界面的发展特点。,利用种操作系统（,DOS、Windows、UNIX,或,Linux），,来体会操作系统的功能。,掌握系统调用的原理及基本的系统调用的使用。,通过上机练习掌握作业调度算法的模拟编程。,掌握调度算法的基本评价方法和评价参数计算,重点小结熟悉人机界面的发展特点。,