操作系统原理第01章第2讲

– 增加不与主机直接相连、专用于输入输出的卫星 机(比主机便宜很多)，由卫星机完成面向用户的 输入输出（纸带或卡片），中间结果暂存在磁带 或磁盘上； – 由人工将磁带(盘)装入主机或从主机卸下，主机 不与输入输出设备打交道，因而，主机和卫星机 可以并行工作。 – 作业控制命令由监督程序(monitor)来执行，完成 如装入程序、编译、运行等操作。
执行系统 ——功能扩展的监督程序(操作系统的雏形)
• 执行系统：功能扩展了并常驻内存的监督程序。这个 监督程序除原的负责作业运行的自动调度功能外， 同时还可提供I/O控制功能。它使批处理可在主机控制 下完成（借助于通道、中断技术和输入输出）。 其特点：
– 输入输出是联机操作，输入输出工作是由在主机控制下的通 道完成的（这是和早期批处理系统的不同点 ）。 – 主机和通道、主机和输入输出设备都可以并行操作。 – 用户程序的输入输出工作都是由系统控制，不需人工干预， 除此之外，系统还检查用户命令的合法性，以避免不合法的 输入输出命令对系统的影响，从而提高系统的安全性。 – 系统仍是单道顺序地处理作业。
简单批处理系统的内存布局
操作系统 用户程序空间
单道批处理的主要问题
• 系统仍是单道顺序地处理作业。
CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业 的特性）。 – 对计算为主的作业，外设空闲； – 对I/O为主的作业，CPU空闲； 解决办法：使多道程序同时进入内存运行，提高资 源利用率，即采用多道程序系统。
操作系统的概念
通过操作系统的发展历史来看
• 操作系统的地位、目标、作用和组成 • 操作系统定义（非形式化）
大型机操作系统的历史
• • • • • 操作系统发展的动力 手工操作阶段 单道批处理系统 多道批处理系统 分时系统
操作系统发展的动力
• 客观需求推动操作系统发展 • 目标：充分利用硬件资源 （1）需要提高资源的利用率和系统性能： 早期，计算机昂贵——CPU时间宝贵， 为提高效率，早期OS出现。 （2）需要方便用户使用： 非专业用户出现，如：商业和家庭用户； 联机调试程序，分散计算时的事务处理。 （3）硬件的发展对操作系统提出了更高要求 如：CPU的位宽增大（指令和数据） 从16位到32位，当前将增到64位，操作系 统应充分利用新的硬件资源提高系统性能
手工操作阶段
• 时间：1946 ~ 50年代末 • 主要器件工艺：电子管 • 运算速度：慢，1000次/秒 • 计算方式：集中计算（计算中心） 计算机资源昂贵； • 没有操作系统 • 程序设计语言：机器语言
手工操作阶段的作业执行过程
• 程序员将程序写在卡片上（在卡片上穿孔） • 程序员提前预约一段时间,然后到机房将他的卡 片放入卡片输入机 • 启动输入机将卡片上的程序和数据读入计算机 • 打开控制台开关启动程序运行 • 打印机输出计算结果，程序员卸下卡片 • 下一个程序员上机······
提高CPU利用率的解决办法
• 设立专门的操作员：减少操作错误 • 批处理——实现作业的自动过渡
单道批处理系统 ——简单批处理系统
时间：50年代末 ~ 60年代中 主要器件工艺：晶体管 运算速度：几十万至百万次/秒 计算方式：集中计算（计算中心） 计算机资源昂贵； • 操作系统：监督程序——早期操作系统雏形 • 程序设计语言——汇编语言和高级语言(如 FORTRAN) • • • •
通道和中断技术
60年代初，通道技术和中断技术出现，使操作系统进入执行系统 阶段 • 通道：专门用于控制I/O设备与内存间的数据传输的部件。启动 后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。 – 通道有专用的I/O处理器，可与CPU并行工作 – 可实现 I/O联机处理 • 中断是指CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理 该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。 – 中断处理过程：中断请求，中断响应，中断点（暂停当前任 务并保存现场），中断处理例程，中断返回（恢复中断点的 现场并继续原有任务 – 可处理算术溢出和非法操作码，死循环（利用时钟中断进行 超时限定） • 借助通道技术和中断技术输入输出设备可与主机联机并行操作
手工操作阶段的工作方式
– 用户：用户既是程序员，又是操作员； 用户是计算机专业人员； – 编程语言：机器语言； – 输入输出：纸带或卡片； 写
有 程 序 的 穿 孔 卡 片
手工操作阶段——计算机的工作特点
– 用户独占全机： 不出现资源被其他用户占用， 资源利用率低：如，打印机在装卸卡片和计算过程 中被闲置。 – CPU等待用户： 计算前，手工装入纸带或卡片； 计算完成后，手工卸取纸带或卡片； CPU利用率低： 在装卸卡片时和打印时CPU闲置。
–每批作业中的各个作业由监督程序自动依次 处理。监督程序是早期操作系统雏形。
联机批处理的优缺点
• 优点：
– 作业自动转接，减少作业建立和人工 操作的时间
• 缺点：
– 慢速的输入输出处理仍直接由主机来 完成。输入输出时，CPU处于等待状 态
脱机批处理-----图（IBM7094）
脱机批处理
• 特征：
手工操作的主要矛盾
– 用户独占全机的所有资源； – 计算机处理能力的提高，手工操作的低效率， CPU机时浪费很大； 如：一个作业在1000次/秒机器运行30分钟完 成，手工装卸作业等人工干预只需3分钟。 若机器速度提高10倍，作业所需运行时间为 3分钟，而人工干预时间仍需3分钟，一半CPU 机时被浪费，不可容忍。
两种批处理方式
• 联机批处理 输入输出设备与主机直接相连。 • 脱机批处理 利用卫星机完成输入输出功能。主机与卫 星机可并行工作。
联机批处理——作业执行过程
（1）用户提交作业； （2）作业被穿孔在卡片或纸带上； （3）操作员将相同类型的作业合成一批，并通过输入设备把它 存入磁带； （4）监督程序读入一个作业； （5）监督程序从磁带调入编译程序，将源程序翻译成目标代码 （根据作业说明书中的作业控制命令）； （6）监督程序调入连接装配程序把目标代码装配成可执行程序； （7）启动执行(监督程序将CPU控制权交给作业)； （8）执行完毕， CPU控制权交还给监督程序，监督程序调 用善后处理程序输出计算结果； （9）读入下一个作业，重复（5）—（9）各步； （10）一批作业完成，返回到（3），处理下一批作业。
脱机批处理的优缺点
• 优点：
– 同一批内各作业的自动依次更替，改善了主机 CPU和I/O设备的使用效率，提高了吞吐量（单 位时间执行的作业数）。
• 缺点：
– 磁带或磁盘需要人工装卸，作业需要人工分类， 易出错； – 监督程序易遭到用户程序的破坏，并且，需人工 干预才可恢复。(见图)
监督程序管理下的解题过程（图）
批处理系统中的一些概念（1）
• 批：
– 供一次加载的磁带或磁盘，通常由若干个作业组装成，在处 理中使用一组相同的系统软件（系统带）
• 单道：
– 每次只有一个用户作业程序进入内存运行
• 作业的组成：
– 用户程序 – 数据 – 作业说明书（用作业控制语言编写）
批处理系统中的一些概念（2） • 监督程序（Monitor）