计算机操作系统
早期批处理系统中的监督程序工作流程： 1.判断输入设备上是否有待输入作业 判断输入设备上是否有待输入作业, 1.判断输入设备上是否有待输入作业,没有 则停止； 则停止； 2.从设备上输入一个作业 从设备上输入一个作业； 2.从设备上输入一个作业； 3.控制作业运行 控制作业运行： 3.控制作业运行：
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系统采用了分时技术。 实现思想: 系统采用了分时技术。 时间进行分割成一定大小的时间段 进行分割成一定大小的时间段， 把CPU 时间进行分割成一定大小的时间段，称 时间片； 时间片； 每个终端用户每次可以使用一个由时间片规定 CPU时间 时间； 的CPU时间； 如果某个用户在规定的一个时间片内还没有完 成它的全部工作，亦需把CPU让给其他用户 让给其他用户。 成它的全部工作，亦需把CPU让给其他用户。
1.2 操作系统的基本类型
操作系统的形成
• 发展动力 1、不断提高资源利用率的需要； 、不断提高资源利用率的需要；
2、方便用户； 2、方便用户； 3、器件的不断更新换代； 、器件的不断更新换代； 电子管、 8位、... ... 电子管、... ...; 位 4、计算机体系结构的不断发展。 、计算机体系结构的不断发展。 单处理机OS、多处理机OS、网络OS 单处理机 、多处理机 、网络
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多道批处理系统的优缺点
优点： 优点： (1)提高 提高CPU的利用率 提高 的利用率 (2)提高内存和 提高内存和I/O设备的利用率 提高内存和 设备的利用率 (3)提高系统的吞吐量 单位时间内完成作业执行的数量 提高系统的吞吐量(单位时间内完成作业执行的数量 提高系统的吞吐量 单位时间内完成作业执行的数量) 缺点： 缺点：（1）平均周转时间长； ）平均周转时间长； 周转时间： 周转时间： 作业从进入系统到结束并退出系统所经历 的时间。 的时间。 （2）无交互能力。 ）无交互能力。
二、脱机输入输出方式（Off-Line 脱机输入输出方式（ I/O)
50年代末，发明了晶体管。晶体管计算机 年代末，发明了晶体管。 年代末
卫星机
主机
卫星机
优点： 优点： 提高CPU利用率 利用率 提高 提高了输入输出速度
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三、监督程序（Monitor） 监督程序（ ）
50年代末至 年代初，存储容量大幅度增长，出现了 年代末至60年代初 存储容量大幅度增长， 年代末至 年代初， FORTRAN、COBOL等高级程序设计语言及相应的编译 、 等高级程序设计语言及相应的编译 程序。 程序。 监督程序： 监督程序：能对计算机硬件和软件进行管理与调度的软 美国IBM360系列计算机配置了监督程序。 系列计算机配置了监督程序。 件。美国 系列计算机配置了监督程序 作业：用户的一次上机行为，也称任务。 作业：用户的一次上机行为，也称任务。 作业步：作业的一部分。 作业步：作业的一部分。 作业控制语言：用于说明作业如何执行的语言。 作业控制语言：用于说明作业如何执行的语言。 作业控制说明书：用作业控制语言编写的作业执行程序。 作业控制说明书：用作业控制语言编写的作业执行程序。 作业控制程序：在控制某道作业运行时，解释执行作业 作业控制程序：在控制某道作业运行时， 说明书中的语句，实现对作业的控制。 说明书中的语句，实现对作业的控制。
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3.实现分时系统须解决两个问题： 实现分时系统须解决两个问题：
及时接收： ( 1 ) 及时接收 ： 能及时地接收来自终端用户 的命令。 的命令。 (2)及时响应 响应时间要短。 及时响应: (2)及时响应:响应时间要短。 响应时间： 响应时间：指从用户输入命令后到系统将处 理结果提交给用户（ 理结果提交给用户（如在屏幕上 显示结果） 显示结果）所经历的时间 。
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• 无操作系统时代
一、人工操作方式(Manual Operating) 人工操作方式 1945年~50年代中期，使用纸带、卡片。 年 年代中期， 年代中期 使用纸带、卡片。
主机
特点（缺点）： 特点（缺点）： 用户独占系统资源 人机串行， 人机串行，CPU等待人工操作 等待人工操作
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典型的卡片作业举例： 典型的卡片作业举例：
程序处理 数据 $RUN $LOAD
$END
FORTRAN 程 序语句
$FORTRAN JOB,JOBNAME=… $JOB,JOBNAME=
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普通指令：用户程序都可包含的指令。 普通指令：用户程序都可包含的指令。 特权指令：只有监督程序才可包含的指令。 特权指令：只有监督程序才可包含的指令。 方式/态：指处理机能执行什么类型指令的状态。有两 方式/ 指处理机能执行什么类型指令的状态。 种执行方式：特权方式和普通方式。 种执行方式：特权方式和普通方式。 系统调用（广义指令）：由监督程序提供给用户调用的 系统调用（广义指令）：由监督程序提供给用户调用的 ）： 系统功能。借助中断机制来实现。 系统功能。借助中断机制来实现。 系统调用的优点： 系统调用的优点： • 提供新界面，呈现的是一台功能强的处理机； 提供新界面，呈现的是一台功能强的处理机； • 系统更加安全。 系统更加安全。 系统空间：监督程序所占内存(0-K)。 系统空间：监督程序所占内存(0-K)。 (0 用户空间：供用户程序使用的内存(K+1 N)。 (K+1用户空间：供用户程序使用的内存(K+1-N)。 存储保护：界地址寄存器存放分界地址。 存储保护：界地址寄存器存放分界地址。
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4.分时系统中影响响应时间的因素
响应时间=N*q+系统开销时间 系统开销时间 响应时间 (1)时间片 时间片q 时间片 (2)用户数 用户数N 用户数 (3)系统开销： 单道：对换；多道：进程调度/对换 系统开销： 单道：对换；多道：进程调度 对换 系统开销 5.分时系统的特征 5.分时系统的特征 ；（2）共享性； （1）并发性；（ ）共享性； ）并发性；（ ；（4） （3）交互性；（ ）独占性 ）交互性；（ 6. 交互式系统：操作系统提供终端命令语言及命 交互式系统： 令解释程序。用户通过终端命令指导作业运行， 令解释程序。用户通过终端命令指导作业运行， 实现与系统的交互。 实现与系统的交互。
用户作业1 用户作业 CPU 内存 用户作业n 用户作业 用户作业2 用户作业 用户1 用户 用户2 用户 用户n 用户
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终 端
主机
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2. 实现方法
(1) 简单分时系统 内存中只允许一道作业运行，系统采用调入-调 内存中只允许一道作业运行，系统采用调入 调 出的方式来实现， 开销大 系统性能差。 开销大， 出的方式来实现，I/O开销大，系统性能差。 (2) 具有前后台的分时系统 内存分为“前台区” 后台区” 内存分为“前台区”和“后台区”，前台存放 分时作业；后台存放批处理作业。仅当前台无作业 分时作业；后台存放批处理作业。 处理时，才运行后台作业。 处理时，才运行后台作业。 (3) 多道分时系统 多道程序在内存中同时执行；目前多采用。 多道程序在内存中同时执行；目前多采用。
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1.2.1 多道批处理系统
背景：60年代中，前提：中断技术、通道的出现 年代中， 背景： 年代中 前提：中断技术、 通道：专门用于负责输入输出的硬件装置(简单的 通道：专门用于负责输入输出的硬件装置 简单的 输入输出处理机， 输入输出处理机，IOP)。 。 多道程序设计：内存中存放多道作业、同时运行、 多道程序设计：内存中存放多道作业、同时运行、 共享资源。 共享资源。 多道批处理系统）思想： （多道批处理系统）思想：用户提交的作业先在 外存排成一个队列（后备队列）， ），由作业调度程 外存排成一个队列（后备队列），由作业调度程 序按照一定的策略从中选择若干作业调入内存， 序按照一定的策略从中选择若干作业调入内存， 共享系统中的各种资源。 共享系统中的各种资源。
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监督程序工作的特点： 监督程序工作的特点：
单道性 ； 顺序性； 顺序性； 自动性
监督程序的优点：减少了人工干预，减少了准 监督程序的优点：减少了人工干预， 备时间，提高了CPU的利用率。 的利用率。 备时间，提高了 的利用率 监督程序的缺点： 监督程序的缺点：
当输入输出时， 空闲； 当输入输出时，CPU空闲； 空闲 CPU与I/O设备之间串行工作；不能交互式工作 与 设备之间串行工作； 设备之间串行工作
多道批处理系统的特征： 多道批处理系统的特征：
并发； 并发；共享
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多道批处理系统需解决的问题
(1)处理机分配、回收； 处理机分配、回收； 处理机分配 (2)存储保护机制； 存储保护机制； 存储保护机制 (3)合理的 设备分配机制； 合理的I/O设备分配机制 合理的 设备分配机制； (4)作业管理：根据具体情况，选择合理的作业调 作业管理：根据具体情况， 作业管理 度算法； 度算法； 短作业优先、 型与 型与CPU型搭配、... ... 型搭配、 短作业优先、I/O型与 型搭配 (5)完善的文件管理功能，提供有效、快速的信 完善的文件管理功能，提供有效、 完善的文件管理功能 息检索、存储机制； 息检索、存储机制； (6)系统安全保护机制：设置管态 目态； 系统安全保护机制：设置管态/目态 目态； 特权指令/非特权指令 特权指令 非特权指令
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作业状态转换示意图
进程调度 作业调度 CPU P1 P2 P3 完成 状态
提交 状态
后备 状态
I/O
运行
外存盘交 换区
外 存 就 绪
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外 存 阻 塞
单道/ 单道/多道程序运行示意图
用户程序 监督程序 I/O操作 操作
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作业A 作业B 监督程序 磁带I/O 磁带 磁盘I/O 磁盘
a.取作业说明书中一条语句,解析执行,如果是“ a.取作业说明书中一条语句,解析执行,如果是“作业终 取作业说明书中一条语句 语句,则删除该作业, 止”语句,则删除该作业,转1； b.如果是一条执行性语句 如果是一条执行性语句, b.如果是一条执行性语句,则在主存中建立相应程序运 行环境,传递好参数,转去执行该程序(变到用户态运行)； 行环境,传递好参数,转去执行该程序(变到用户态运行) c.在用户态程序运行过程中 如发生中断事件( 在用户态程序运行过程中, c.在用户态程序运行过程中,如发生中断事件(如系统调 定时器中断),立即转监督程序, ),立即转监督程序 用/定时器中断),立即转监督程序,待中断事件处理结束 用户态程序继续执行。 后,用户态程序继续执行。 d.用户态程序结束后 用户态程序结束后, 取下一作业控制语句。 d.用户态程序结束后,转a取下一作业控制语句。