《用户接口与作》PPT课件.ppt

用户接口与作业管理,用户与操作系统的接口 批处理系统的作业管理 交互式系统作业管理,1、作业级接口,操作系统为用户对作业运行全过程控制提供的功能 (1) 联机接口（交互式） (2) 脱机接口,一、用户与操作系统的接口,作业级接口 程序级接口,2. 程序级接口,系统为用户在程序一级提供有关服务而设置 由一组系统调用命令组成 负责管理和控制运行的程序 并在这些程序与系统控制的资源和提供的服务间实现交互作用 用汇编语言：在程序中直接用系统调用命令 用高级语言：可在编程时使用过程调用语句,二、批处理系统作业处理,1、作业的基本概念 （1）作业 用户在一次计算过程中，或者一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称 （2）作业步 一个作业可划分成若干部分，称为一个作业步 典型的作业控制过程： “编译”、“连接装配”、“运行” （3）作业流,（4）典型的作业步,作业的基本概念(续1),2、批处理作业控制语言与作业说明书,（1）作业控制语言 用户用于描述批处理作业处理过程控制意图的一种特殊程序 书写作业说明书的语言称为作业控制语言（JCL） （2）作业控制语言的类别 包括：I/O命令、编译命令、操作命令以及条件命令等,（3）作业说明书,表达用户对作业的控制意图 内容： 作业的基本描述 作业控制描述 资源要求描述,批处理作业控制语言与作业说明书（续）,3、作业控制块与作业表,（1）作业控制块 （JCB：Job Control Block） 作业控制块是批处理作业存在的标志 保存有系统对于作业进行管理所需要的全部信息 位于磁盘区域中,（2）作业控制块的内容,作业控制块中所包含的信息数量及内容因系统而异 较简单的系统 较复杂的系统,作业控制块与作业表（续1）,作业标知 用户名称 用户帐号 调度信息 资源需求 作业状态 作业类别 输入井地址 输出井地址 进入系统时间 开始处理时间 作业完成时间 作业退出时间 资源使用情况,作业控制块JCB,作业控制块与作业表（续2）,（3）作业控制块的建立,当作业开始由输入设备向磁盘的输入井传输时 系统输入程序为其建立一个作业控制块 进行初始化 初始化的大部分信息取自作业说明书,作业控制块与作业表（续3）,（4）作业控制块的使用,需要访问作业控制块的程序 系统输入程序 作业调度程序 作业控制程序 系统输出程序等,作业控制块与作业表（续4）,（5）作业控制块的撤消,作业完成后，其作业控制块由系统输出程序撤消 作业控制块被撤消后其作业也不复存在,作业控制块与作业表（续5）,（6）作业表,每个作业有个作业控制块 所有作业JCB构成一个作业表 作业表存放在外存固定区域中，长度是固定 限制了系统所能同时容纳的作业数量 系统输入程序、作业调度程序、系统输出程序都需要访问作业表 因而存在互斥问题,作业表,作业控制块与作业表（续6）,4、 批处理作业的状态及转换,一个作业从进入系统到运行结束 经历四个不同的状态： “进入” “后备” “运行” “完成”,作业和进程的状态转换图,批处理作业的状态及转换（续1）,（1）运行状态的作业,三种状态： 就绪状态 执行状态 等待状态,批处理作业的状态及转换（续2）,5、作业的建立,一个作业建立过程的两个子过程： 作业的输入 JCB的建立 作业控制块JCB和作业：一一对应关系,（1）作业的输入,将作业程序、数据和作业说明书从输入设备（例如键盘）输入到外存，并形成初始信息,典型作业输入方式 SPOOLing系统,作业的建立（续1）,（2）JCB的建立,在系统把作业信息输入到输入井之后 根据作业说明书和有关作业信息在外存的位置等 建立作业控制表JCB JCB包含对作业进行管理所必须的信息 JCB表的数量是一个常数 外存输入井的大小有限 只有在获得JCB表项和足够输入井空间后 作业才可能创建成功,作业的建立（续3）,6、批处理作业的调度,主要功能： 审查系统能否满足用户作业的资源要求 只要通过调用相应的资源管理程序的有关部分 审核其表中是否能满足作业说明书中的要求即可 作业调度： 按照一定的算法从输入井中的后备作业中选取作业 将其投入内存运行 调度的关键 在于 选择恰当的算法,（1）调度算法评价,调度实质上是一个策略问题 设定的目标往往是相互冲突的 目标： 单位时间内运行尽可能多的作业 使处理机尽可能保持“忙碌” 使各种I/O设备得以充分利用 对所有的作业都是公平合理的,批处理作业的调度（续1）,要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的事 在实际系统中，调度算法往往折衷考虑 设计调度算法时应考虑的因素： 调度算法应与系统设计目标保持一致 注意系统资源均衡使用 保证提交的作业在截止时间内完成 设法缩短作业平均周转时间 大多数操作系统都采用比较简单的调度算法,批处理作业的调度（续2）,作业平均周转时间 假定某一作业进入“输入井”的时间为Si， 它被选中执行，得到计算结果的时间为Ei 它的周转时间为Ti Ei Si 则作业平均周转时间为： T（ ） n为被测定作业流中的作业数,（2）调度算法性能的衡量,批处理作业的调度（续3）,平均带权周转时间 W（ ） ri 为某作业i的实际执行时间,T：衡量不同调度算法对同一个作业流的性能 W：同一调度算法对不同作业流的性能衡量,批处理作业的调度（续4）,（3）系统进行作业调度的决策因素,作业到达时间 预先为作业确定的优先级 系统可测定的其他因素： 作业所需的CPU时间C 存储要求M 打印输出的行数L 其他的资源要求,批处理作业的调度（续5）,（4）常见的批处理作业调度算法,先来先服务算法（FCFS：First Come First Serve） 最短作业优先算法（SJF：Shortest Job First） 最高响应比优先算法 （HRN：Highest Response Ratio Next） 响应比R = 作业周转时间 / 作业处理时间 =（作业处理时间+作业等待时间）/ 作业处理时间 = 1 +（作业等待时间 / 作业处理时间）,批处理作业的调度（续6）,基于优先数调度算法 （HPF：Highest Priority First） （a）由用户规定优先数（外部优先数） 用户提交作业时，根据急迫程度规定适当的优先数 作业调度程序根据JCB优先数决定进入内存的次序 （b）由系统计算优先数（内部优先数） 例：可按如下公式计算作业的优先数： 优先数 = 用户规定优先数 作业处理时间 + 作业等待时间 输出量,批处理作业的调度（续7）,均衡调度算法(分类排队算法) 基本思想： 根据系统运行情况和作业属性将作业分类 轮流从不同的作业类中挑选作业 目标： 力求均衡地利用各种系统资源，发挥资源使用效率 力求使用户满意,批处理作业的调度（续8）,例1：将待处理作业分成如下队列： 队列1：计算量大的作业 队列2：I/O量大的作业 队列3：计算量与I/O量均衡的作业 调度时，在三个队列中各取一些作业 在内存中的作业有的使用处理机 有的使用外部设备 使得系统的各种资源能得到充分利用,批处理作业的调度（续9）,例2：将待处理作业分成如下三个队列： 队列1：长作业 队列2：中等长度作业 队列3：短作业 调度时 取队列1一作业，队列2一作业，队列3一作业 长作业用户和短作业用户均比较满意,批处理作业的调度（续10）,（5）作业调度算法应用例子1,假设在单道批处理环境下有四个作业，已知它们进入系统的时间、估计运行时间 应用先来先服务、最短作业优先和最高响应比优先作业调度算法，分别计算出作业的平均周转时间和带权的平均周转时间,批处理作业的调度（续11）,先来先服务调度算法计算结果,批处理作业的调度（续12）,最短作业优先作业算法计算结果,批处理作业的调度（续13）,最高响应比优先作业算法计算结果,批处理作业的调度（续14）,在两道环境下有四个作业 已知它们进入系统的时间、估计运行时间 系统采用短作业优先作业调度算法，作业被调度运行后不再退出 当一新作业投入运行后，可按照作业运行时间长短调整作业执行的次序 请给出这四个作业的执行时间序列，并计算出平均周转时间及带权平均周转时间,（6）作业调度算法应用例子2,批处理作业的调度（续15）,两道批处理系统中 最短作业优先作业算法计算结果,批处理作业的调度（续16）,四个作业的执行时间序列为： JOB1：10：0010：05，10：4011：05 JOB2：10：0510：25 JOB3：10：2510：30 JOB4：10：3010：40,两道批处理系统中 最短作业优先作业算法计算结果（续1）,批处理作业的调度（续17）,10：00，JOB1进入，只有一作业，JOB1被调入执行 10：05，JOB2到达，最多允许两作业同时进入 所以JOB2也被调入 内存中有两作业，哪一个执行？题目规定当一新作业运行后，可按作业运行时间长短调整执行次序 即基于优先数可抢占式调度策略 优先数是根据作业估计运行时间大小来决定的 由于JOB2运行时间（20分）比JOB1少 （到10：05，JOB1还需25分钟） 所以JOB2运行，而JOB1等待,两道批处理系统中 最短作业优先作业算法分析过程,批处理作业的调度（续18）,10：10，JOB3到达输入井，内存已有两作业 JOB3不能马上进入内存； 10：20，JOB4也不能进入内存 10：25，JOB2运行结束，退出，内存中剩下JOB1 输入井中有两作业JOB3和JOB4，如何调度？ 作业调度算法：最短作业优先 因此JOB3进入内存 比较JOB1和JOB3运行时间 JOB3运行时间短，故JOB3运行 同样，JOB3退出后，下一个是JOB4 JOB4结束后，JOB1才能继续运行,两道批处理系统中 最短作业优先作业算法分析过程（续1）,批处理作业的调度（续19）,（7）多道程序对平均周转时间的影响,作业流在多道环境下运行 平均周转时间、带权平均周转时间 比单道环境下都有明显改善 不是任意作业组合都能改善调度性能 有时甚至可能变坏,批处理作业的调度（续20）,例：四个各需两小时作业同时投入运行，I/O等待时间均占25%，即占CPU时间各为1.5小时 根据计算公式，CPU的空转率为0 采用简单轮转法调度，每小时各作业分别占用25%的CPU时间，算得该作业组合的平均周转时间约为6小时，而平均带权周转时间约为3 但是，若以单道程序方式运行： 平均周转时间T=（2+4+6+8）/4=5小时 平均带权周转时间W=（1+2+3+4）/4=2.5,批处理作业的调度（续21）,7、作业调度与进程调度,作业能否占用处理器？什么时间能够占用处理器？ 由进程调度来决定 进程的初始状态为就绪状态 进程调度选择当前可占用 CPU处理进程，当它让出处理器时，进程调度就再选另一作业的进程 作业调度与进程调度相互配合，实现作业的并行,8、批处理作业的控制,当作业为执行态时，作业调度程序为其建立一作业控制进程, 由该进程控制作业运行 作业控制进程：主要负责控制作业的运行，具体解释执行作业说明书的每一个作业步，并创建子进程来完成相应步骤 一个作业步的处理： （1）建立子进程 （2）为其申请资源 （3）访问该作业的JCB （4）释放占有资源 （5）撤消子进程等 作业控制程序只有一个 对应每一处于执行状态的作业有一作业控制进程,9、作业退出,把输出结果送到输出设备上（启动缓输出进程完成） 回收各种资源,10、SPOOLing系统工作原理,全称：Simultaneous Peripheral Operations On-Line 含义： 同时的外围设备联机操作（假脱机技术） 包括： 输入程序模块 输出程序模块 作业调度程序,作业和进程的状态转换图,SPOOLing系统工作原理（续1）,作业执行前用慢速设备将作业预先输入到后援存储器（如磁盘、磁鼓，称为输入井）中，称为预输入 作业运行后，使用数据时，从输入井中取出 作业执行不必直接启动外设输出数据，只需将这些数据写入输出井中 作业全部运行完毕，再由外设输出全部数据和信息，称为缓输出 实现了对作业输入、组织调度和输出的统一管理 使外设在CPU直接控制下，与CPU并行工作（称为假脱机）,SPOOLing系统工作原理（续2）,SPOOLing系统,SPOOLing系统工作原理（续3）,三、 交互式系统的作业管理,1、概述 （1）命令接口 在操作系统与计算机用户之间提供易于理解的双向通信机制 基本任务： 解释命令，传送命令以便执行 接收系统信息，提交给用户（以响应语言的形式） 包括：一组联机命令，终端处理程序，命令解释程序 交互式命令的接口复杂 含功能结构，可能问题的处理，如各种约定、前端处理、命令日志、命令注解、宏命令及命令组等,用户与操作系统的通信通过一个输入/输出装置来实现 I/O装置 是 显示终端和键盘 输入通过键盘：在有的系统中，可通过指示装置（例如鼠标）输入 系统输入呈现在显示屏幕上，一次显示若干正文行 （某些系统中，提供图形显示功能） 不管哪种I/O方式，终端装置是由终端处理程序管理和控制,2、终端处理程序,终端处理程序提供的输入输出方式对整个用户命令接口有重大影响，也确定了用户与其应用程序之间的通信方式 终端处理程序必须作为用户接口的一个组成部分来考虑 即，直接影响命令接口的一些问题须由终端处理程序解决,终端处理程序（续1）,直接影响命令接口的一些问题,（a）回送显示（Echoing） 通常，每从键盘打入一个字符，终端处理程序回送响应的字符到显示屏上 有时用户要求其显示一个不同的字符或不显示（例如，用户键入口令时） 对于通过远程通信线路访问的终端，可能需要抑制这种回送 委托给远程终端实现回送显示,终端处理程序（续2）,（b）提前打入（Type ahead） 假定输入字符在一程序准备处理它们之前打入，则由“提前打入进程”把它们保存在缓冲区中 缓冲区容量是有限，当其存满后，再有输入时，或者漏掉，或者将破坏缓冲区原有的内容 （c）字符变换 有些情况下，需要对打入的字符进行代码变换 如，把小写字母转换成大写字母，或者反之,终端处理程序（续3）,（d）行缓冲 打入的字符在送到程序前，由终端接口保存，直到整个命令行打入为止 为用户提供了校验、编辑，甚至取消命令的机会 （e）中断字符（Break Characters） 多数交互式命令接口可以接受一些称为中断字符的特殊字符，并立即采取相应的行动 如，在许多系统中，同时打入CTRL-C键，立即终止当前程序执行，并使命令处理程序重新初始化,终端处理程序（续4）,3、命令解释程序,对命令有两种处理方法： （a）由命令解释程序直接处理 在没有创建子进程功能的系统中 终端命令通常由对应的命令解释程序处理 在这种系统中，只有一个进程对应一个终端用户 （b）由子进程代为处理 在具有创建子进程功能的系统中，对于较为单纯的命令，如列目录，拷贝文件等，命令解释程序本身便能完成，此时由命令解释程序直接处理 对较复杂命令，如对于C源程序进行编译，命令解释程序本身不能处理，此时创建一个子进程，并由该子进程运行C编译程序,4、命令接口,命令接口由命令处理器来实现 命令处理器的实现方式： （a）作为OS的一个部分 如，OS/MVT或VAX/VMS （b）作为OS的一个独特模块，能方便地修改或替换 如，RT-11或CP/M （c）作为一易于被替换的普通程序 如，UNIX操作系统 (d) 在某些系统中，可能用专门设计的命令接口替代标准的命令接口 如，多用户UNIX，用户可有不同命令接口,5、命令语言,命令语言规定由OS执行的一系列操作 在一般的命令语言中，用户通过打入称为命令行的一行指令来规定每一个动作 每一命令行以命令开始，它标识所要执行的操作 大多数命令是用运行一个程序来执行所请求的操作 多数命令行中要给出一些参数, 每一命令语句实际上是带有参数的一个过程调用,一种命令语言通常提供几类命令： （1）系统访问命令 登录命令，如，login等 撤离命令，如，logout等 （2）文件管理命令 （3）编辑、编译和执行命令 （4）询问命令 （5）操作员专用命令,命令语言（续1）,命令行：规定由操作系统执行的一系列操作,命令行：一行可有一个或多个命令，每次一行，包含一个或多个命令。 shell给出提示符时可输入，以回车键提交。如： “ls -a -l”列出当前目录文件列表； “gunzip mp1.tar.gz; tar -xvf mp1.tar; rm -r -f mp1.tar“为解压缩后再展开。 命令格式：一个命令可有命令参数，格式包括选项/开关 (option/switch)或参数(argument)。 如UNIX系统： cp -r doc /tmpargv0, argv1, .（含子目录的文件复制：/tmp为目标地址）,命令语言（续2）,命令分类：内部命令和外部命令 内部命令：直接由shell本身完成，功能简单、使用频繁；如：DOS的copy命令。 外部命令：运行相应的可执行文件，在使用时加载。如：DOS的xcopy命令 命令简化：利用参数替换可简化命令输入，通配符(?, *)用于匹配一组文件名 如：UNIX的cp命令：当前目录上有两个“1.tar“和“2.tar“时，“cp *.tar /tmp“等同于“cp 1.tar /tmp; cp 2.tar /tmp“,命令语言（续3）,命令的附加功能 命令的附加功能用以扩大命令的功能性、选择性、适应性。包括： （1）参数与变量 位置变量 关键字变量 （2）命令通配符 （3）重定向 （4）管道与过滤器,命令语言（续4）,批处理命令： 针对脱机用户操作和大量顺序操作功能而设计 批处理命令可以是专门的命令，也可是系统的基本命令；还有有关的语法结构，循环、分支、转移、判别等，构成一套特殊的命令语言,6、命令文件,命令文件（续）,提前写出命令并存入文件，称之为命令文件 命令文件提供了一种把一系列命令组装成文件的方法，然后用文件名作为命令名执行另外一系列命令 特点： （1）接受参数、变量，宏变量替换 （2）允许嵌套形式调用其他命令文件 （3）允许参数来自终端的命令文件本身 （4）允许执行显示到终端、存入文件或送入打印机 （5）允许命令加入注释 （6）出错时允许用户干预 （7）可把输入传给程序，可有循环、分支、转移等,7、图形用户接口GUI,命令行方式：要求用户记忆命令格式 图形用户接口方式：用户可利用鼠标对屏幕上的图标进行操作，完成与操作系统的交互，从而减少记忆内容，方便用户使用。 图形用户接口的技术基础：高分辩显示器和鼠标,（1）窗口系统（window system）的特点,利用图形元素表示功能：将各种图形元素显示在屏幕上，用户可以通过操纵图形元素（如菜单、图标）来执行相应的功能 同屏多窗口与并发进程相对应：屏幕上同时显示多个窗口；一个进程可以对应一个或多个窗口；窗口动态创建、改变、撤销 交互的并发性好、传递信息量大 输入方式：鼠标指针点击（或其他定位设备）和键盘输入；通常是即时交互 一致的图形元素风格可方便用户学习和使用：如按钮、滚动条,图形用户接口GUI（续1）,（2）窗口系统的图形元素及其状态,窗口：屏幕上的矩形区域 包括：标题条、边框、窗口角、系统菜单框、最大化/最小化按钮、滚动条等 状态：当前/非当前窗口接受输入，最大化/最小化/恢复原大小，窗口的前后遮盖Z轴，焦点接受键盘输入（而非鼠标） 桌面和墙纸 图标：一个小图象(如32x32或64x64 pixel)，供鼠标指针点击。不同的图标可以标识不同的对象。如：可执行程序、最小化的窗口、文件动画图标,图形用户接口GUI（续2）,鼠标指针：鼠标指针通常对应屏幕上的光标 光标在屏幕上只有一个，在不同屏幕位置（上下文）可以呈现不同形状，可以独立于鼠标来直接操纵光标 鼠标点击：左键/右键/中键，单击/双击，拖曳/拖放 按钮：鼠标点击或按回车键/空格键时执行相应功能，如 menu button；提供单项或多项选择，如radiobutton和checkbutton；当前按钮及其切换 菜单：临时窗口，菜单条、弹出式菜单、下拉式菜单（上下文相关菜单） 对话框：临时窗口，显示提示信息(message)或填写用户设置,图形用户接口GUI（续3）,（3）窗口管理器(window manager)：形成统一的使用风格,处理窗口的普遍特性，如：窗口的大小、位置（窗口的标题条、边框、控制菜单框）窗口中由应用程序管理的部分称为“客户区(client area)“ 协调各窗口间的相互关系，如：窗口之间的前后遮盖关系，桌面,图形用户接口GUI（续4）,（4）例子： MS Windows,特点 MS Windows结构 基本概念 消息处理：两种方法,图形用户接口GUI（续5）,特点,是OS 的一部分，提供默认的