用户接口与作业管理

第三章用户接口与作业管理

用户如何把自己的请求告诉计算机

计算机接到用户请求后如何处理，如

何为用户服务

3.1概述

3.1.1程序的启动和结束

例子：

程序的执行（启动和结束）

破件知识：

程序开始执行的两个前提条件

程序已装入内存

程序计数器PC:该程序在内存的人口

地址

惶

五种启动程序执行的方式

第一种方式：命令方式

命令提示符下打入程序名和参数，回车

O,$,%

命令解释程序（命令解释器，作业管理程序，作业

控制程序,SHELL）

command,com（才艮目录下）

SHELL（BSH,CSH,KSH...）

在Windows中，命令方式是以窗口菜单显示和鼠标操

作来体现的

开机命令提示符出现打入命令

命打回车

令

方

式程序首指令执行

的

程

序

启程序尾指令执行

动

下一个命令提示符出现

（在前一个命令提示符的下一行首）

第二种方式：批处理方式

.BAT文件

例子：启动中文环境需要多条命令：

装入字库

启动主程序

I.装入汉字输入法

AUTOEXEC.BAT

将若干条命令放在一个文件中，在提示符

后打入该文件的名字）由计算机自动连

续执行该文件的这组命令

惶

以命令方式启动执行批文件

批

方

式

下

的

装

入

启

动

过

程

回到操作系统，

操作系统从该批文件中读下一条命令

第三种方式：EXEC方式

在一个程序中运行另一个程序,

再返回原来的程序。

惶

“父”程序执行exec调用

X

E操作系统实现exec的装入（建立进程）、

C启动（或转调度，程序或返回）

方

式、，

的II“子”程序执行

过

程执行完毕

回到操作系统，进行子程序结果处理工

作，并将结果信息返回“父”程序

“父”程序继续调用

第种方式

由硬件装入程序和启动程序执行

早期计算机：用户把装有可执行目标

程序的纸带（或卡片）安装到纸带（或

卡片）输入机上；按机器面板上的一个

特定按钮（”装入程序并启动执行”）;

硬件将纸带上的内容顺序读入内存，直

至纸带上的一个特殊的程序结束标记为

止；然后硬件开始从内存零地址处执行

程序。

惶

第五种方式：自启程序

•自己装入自己，并启动自己开始执行的

程序

•自启程序由两邙分组成

•引导程序和程序主体

惶

引导程序

在外设设备的起始位置上顺序存放，开机

时由硬件自动装入并启动，或ROM中放一

个引导程序，则不必装入而可以直接启

动。即开机时硬件自动从ROM中该引导程

序的起始地址开始执行它。

由弓|导程序装入启动程序主体

惶

用户程序存放在外存上，其自含的引导程

序顺序放在存储介质的开始位置

自

启

程将该存储介质放到相应的联机输入装置上

序

装

入以某种硬操作方法通知计算机需

与执行自启程序

启

动

的硬件将上述引导程序读入内存并将控制

过权传给它

程

引导程序将用户主体程序读入内存并

将控制权传给它

程序的结束

-正常结束：程序按自身的逻辑有效地

完成预定功能后结束。

—异常结束：发生了某些错误而导致程

序在没有完成预定功能时提前结束

惶

正常结束的结束处理工作

-返回父程序并返回结果信息

-释放所用资源（空间、设备、记录

使用情况、记帐等）

惶

非正常结束的结束处理工作

-应包括正常结束时所做的处理工作

-找出错误原因并报告给用户

惶

3.1.2用户与操作系统的接口

1.程序级接口：

用户在程序中通过一系列的系统调

用向操作系统提出服务请求

惶

2.作业级接口:

操作系统为用户对作业运行全过程的

控制提供的功能

⑴联机接口（交互式）：

由一组命令向操作系统提出请求。用

户在终端上输入命令，系统立即解

释并执行该命令，完成用户的要求,

然后返回终端或控制台；用户可输

入下一条命令，如此反复直到作业

完成

(2)脱机接口:

在批处理系统中，用户通过作业控制

语言(JCL)向系统提出对作业控制

要求。OS向用户提供一组作业控制

语言，用户用这种语言书写作业说

明书，然后将程序、数据和作业说

明书一齐交给系统操作员。脱机用

户不能直接干预系统

惶

脱机用户接口与批处理接口是相同含

义，它一次性提供一批作业，其间

用户不必干预，机器按作业说明书

处理

3.1.3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。

作业：程序，数据，作业说明书

惶

2.作业步:

一般情况下，一个作业可划分成若

干个部分，每个部分称为一个作业

步。在作业运行期间，各作业步之

间存在着相互联系，往往上一个作

业步的结果作为下一个作业步的输

入

惶

3.作业流:

一次有一批作业进入系统，并在操作

系统控制下，一个接一个地盅行处

理

惶

3.1.4作业管理的任务

1.作业进入

2.作业调度

3.作业控制

4.作业退出

惶

3.2批处理系统的作业管理

（常用SPOOLing技术）

原理：

系统把作业处理的全过程划分为相对

独立的部分，一部分为输入流，一

部分为处理流，一部分为输出流

惶

3.2批处理系统的作业管理

作业输入:

作业从输入介质上进入系统，并加以

组织，在磁盘上形成一个后备作业

的过程

作业处理:

•作业调度：挑选^—部分作业投入运

行

•作业控制：完成具体进程的执行，

解释执行作业说明书，结果送输出

井

惶

作业输出:

将输出井上的运行结果送外设（输出

设备）

3.2.1作业进入

作业从输入设备进入系统，并加以组

织，形成一个后备作业的过程

惶

1.作业的组成：

作业=程序+数据+作业说明书

作业说明书：

•一个独立于程序的文件，刻画了用

户对作业的基本描述，以及用户对

作业处理的控制要求

•是用作业控制语言书写的

2.作业控制语言:

是一种高级语言

3.输入井：

在磁盘上开辟的一块空间，用于存放

后备作业，包括程序，数据，作业说

明书，作业控制块

惶

4.作业控制块(JobControlBlock-

JCB)：

作业存在的唯一标志，是系统为管理

作业所设置的一个数据结构，存放

了管理和控制作业所必需的信息

惶

JCB主要内容：

作业的描述信息：H

如作业名，用户名，用户帐号，调度信

息（作业优先级别），资源需求，作业

进入系统时间）作业估计运行时间）作

业开始处理时间）作业完成时间，作业

状态等。

作业的存储信息：输入井地址，输出井地

址

作业说明书信息

5.预输入过程

第一步：

作业说明书经外部设备进入内存，操

作系统对它进行分析，从其中抽取

有关内容，填写后备作业JCB,然后

把作业说明书以文件的形式存入输

入井，并将文件名填入JCB

惶

第二步：

把作业体（程序和数据）调入输入井,

填写JCB有关内容

第三步：把JCB存入输入井，插入到后

备作业队列

（以上三个步骤由预输入进程完成）

惶

6.预输入进程:

预输入进程完成作业的输入、组织

和建立工作

是一个系统进程，一经创建就等待

输入设备上的信号，由系统操作员

发信号，唤醒该进程投入运行

其工作方式为等待人工启动

惶

3.2.2作业调度

1.作业调度：

根据一定的原则，从输入井的后备作

业队列中选择适当的作业，为它分

配内存等资源，并将其调入内存投

入运行。

又称高级调度，远程调度

惶

2.调度原则：

公平，合理，使用户满意

提高系统资源利用率，如提高系统吞

吐量

惶

3.作业调度算法

⑴先来先服务（FCFS）:

按照作业进入系统的先后次序进行调

度，先进入系统者先调度

优点：实现简单，公平

缺点：没考虑资源利用率和作业的特

殊性

惶

⑵短作业优先(SJF):

选择运行时间最短的作业投入运行

优点：易于实现，强调了资源的充分

利用，保证了系统的最大吞吐量

(单位时间里处理作业的个数)

缺点：不公平，会造成长作业长期等

待。

惶

结论：

假设系统中所有作业同时到达，可以

证明采用SJF能得到最短的作业平均

周转时间

作业：证明以上结论

惶

⑶最高响应比优先（HRF）：

优先选择响应比最高的作业投入运行

响应比：作业周转时间/作业估计运行

时间

作业周转时间

作业估计运行时间

作业周转时间=作业进入系统等待时间

+作应估计运行时间I

作业进入系统等待时间

♦♦~~作业估计运行时间

该算法是FCFS和SJF的结合，克服了两

种算法的缺点

优点：公平，吞吐率大

缺点：增加了计打,增加了开销

惶

(4)基于优先数的作业调度算法:

选择优先级高的作业投入运行

惶

⑸资源搭配算法

（均衡型作业调度算法）

把作业分类，作业调度从不同类型作

业中去调度作业

根据作业对资源要求分类：

I/O型

CPU型

均衡型

4.性能衡量指标

⑴作业平均周转时间T

n1

T=0Ti)—

Z=1〃

Ti=tc-ts■

(Ti为每个作业的周转时间；tc作业完

成时刻；ts作业进入系统时刻)

惶

⑵平均带权周转时间w

（Ti为每个作业的周转时间;tr为作

业实际运行时间）

惶

T是衡量不同调度算法对同一个作业

流的性能

W是同一调度算法对不同作业流的性

能衡量

例：单道环境下四个作业，它们进入系统的时间

如下：

作业进入时间估计运行时间（分钟）

J0B18:00120

J0B28:5050

J0B39:0010

J0B49:5020

⑴给出FCFS,SJF下的作业执行次序

⑵给出FCFS,SJF下的作业平均周转时间和带

权平均周转时间

例:

估计运行时间SJF完成时FCFS完成时

作业进入时间

（分钟）刻刻

J0B18:0012010:0010:00

J0B28:505011:2010:50

J0B39:001010:1011:00

J0B49:502010:3011:20

惶

FCFS:T=(120+120+120+90)/4

=112.5

SJF:T=(120+150+70+40)/4=95

FCFS:W=(120/120+120/50+120/10

+90/20)/4=4.975

SJF:W=(120/120+150/50+70/10

+40/20)/4=3.25

作业：

两道环境下,于个作业，它们进入系

统的时间如下:

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，但当

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,

请给出上述四个作业的执行时间序

列，及计算出平均周转时间及带权

平均周转时间。

惶

作业：两道环境下四个作业

作业进入时间估计运行时间（分钟）

J0B110:0030

J0B210:0520

J0B310:105

J0B410:2010

5.作业调度进程:

按一定的作业调度算法从后备作业队

列中取一个JCB,对该JCB进行修改,

形成一个运行JCB,然后为该作业分

配资源。并将该作业的运行JCB交给

作业控制进程

（是一个系统进程，和预输入进程构

成了生产者——消费者关系）

惶

5.2.3作业控制（负责控制作业运行）

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

最相应步骤

（是一个系统进程，和作业调度进程

构成生产者——消费者关系）

5.2.4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

惶

缓输出进程（脱机）:

从输出井上将结果输出

是一个系统进程，创建后等待被唤醒,

一旦作业完成，则唤醒该进程

惶

3.2.5作业状态及转换

作业状态;进入状态;后备状态；运行状态;退出状态。

进入状态-----►后备状态运行状态A退出状态

数据

作

业作业控制进程

缓

调

输

度

原程序」出

进

作业说明进

程运行

书程

预输入进程输

输入设备--------------------输出设备

出入

ULJ等待就绪3

3.2.6SPOOLing系统工作原理

(SimultaneouslyPeripheral

OperationOnLine)

系统把作业处理全过程分为相对独立

的部分，一部分为输入,由预输入

进程完成；另一部分为输出，由缓

输出进程完成；另一部分由作业调

度和作业控制来完成，处理部分若

从输入部分输入的话，改为从输入

井输入数据；如果向外设输出，改

为向输出井某一部分去输出解

3.3交互式系统的作业管理

3.3.1概述

命令接口的基本任务

1.解释操作系统命令语言中的命令，

将命令传送到系统以便执行

2.接受系统来的信息，以响应语言的

形式提呈给用户

联机用户与交互式命令接口

使用者用输入装置，以各种操作方法

向计算机发出命令,请求各种操作。

系统收到命令请求之后，将控制转向

命令解释系统，对该命令进行解释

执行，完成指定功能。

然后，系统等待新的命令输入

惶

交互式命令的接口通常要复杂，包含

功能结构，可能问题的处理办法，

如各种约定，前端处理，求助功能,

命令日志，命令注解，宏命令及命

令组等

交互式控制灵活方便，可以随时进行

各种处理，排除问题，方便调试，

但系统利用率低

联机命令接口：

一组联机命令，终端处理程序，命

令解释程序

惶

332命令接口的操作方式与结构

直接命令处理

•直接命令用命令处理程序来实现

•对命令进行判别、分类、翻译、解

释、并按照命令参数的要求与功能,

调用系统过程去实现

惶

不同的实现方式：

・作为操作系统的一个组成部分

•作为操作系统的一4—个独立程序

模块

•作为操作系统下的一个可置换的一

个普通程序

终端命令处理

在多用户环境下的终端型处理界面,

可采用间接性终端处理程序结构。

用户不直接面对主机系统，而是通

过某种输入输出设备与主机进行通

信。用户通过键盘，鼠标等装置，

通过视频终端把信息输入系统，在

终端屏幕上输出文本和图像。这里

处理活动中，除了命令处理程序外,

系统还要有一个终端处理程序对终

端进行控制和管理。

终端处理程序:

接收用户从终端上打入的字符

字符缓冲，暂存所接收的字符

回送显示

屏幕编辑

特殊字符处理

惶

直接影响命令接口的问题

(1)回送()：用户输入一个字符时,

要回送到终端上。某种情况下又不

需回送。在远程情形下，回送由终

端处理程序处理，不用远程通信

(2)缓冲()：有时输入字符先于程

序处理，可以用缓存暂存等方法

惶

(3)字符转换()：如大小写，不同

编码方式的转换

(4)行缓冲()

(5)中止字符()

(6)命令预告()

惶

333命令语言

目的：规定由操作系统执行的一系列

操作。

命令结构：

（命令前缀）命令名（命令参数）（命令选项）

惶

•命令前缀：命令的特殊性

•命令参数：命令在执行前所需的资

源、文件和数据

•命令选择：指明命令的目标、路径、

方向、范围等

惶

典型命令实例：

(1)UNIX系统:

who

Is-1

(2)DOS系统

dirc:\

(3)VAX/VMS

runmypro

惶

334命令的种类与功能

基本

・最不可少的命令

•显示文件目录、路径和内容

•复制、更名或删除

惶

•建立、编辑程序、文本和数据

•不同的语言编译和连接程序

•显示系统或用户环境的信息

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，枸成一套特殊的命令语言

惶

宏命令

一类组合命令，某些方面类似于批处

理命令，但有严格格式。宏命令其

中可包含若干命令，类似于宏语句

MACROmycmd

[命令集…]

MACROEND

惶

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

335命令文件

许多命令接口允许用户提前写出命令

并存入文件，且称为命令文件

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

为命令名执行另夕I系列命令

好的高效命令有如下特点：

•如同标准命令一样接受参数和变量,

并可如宏变量一样在文采中进行替

换

•允许在命令文件中以嵌套形式调用

其它命令文件

•允许参数来自终端的命令文件本身

•允许命令执行显示到终端、存入文

件或送入打印机

•允许命令加入注释

•出错时允许用户干预，并在适当位

置恢复命令文件的执行

命令文件可把输入传给程序

命令文件可有循环、分支、转移等程

序语言的特征

惶

336命令设计

•命令设计是操作系统各模块设计中

重要的，也是困难的一环

•命令解释和处理程序也是操作系统

中重要的程序模块

惶

3.3.7实现

1.用户

对终端进行控制，即登录管理

OS提供监控程序（monitor）,不断

检查系统终端，一旦发现某个终端

打开，在终端上显示必要信息，要

求用户注册（给出用户名、口令），

看其是否合法，合法则为终端生成

用户进程，然后，用户进程作业不

断接收命令为用户服务,

2.用户管理

为每个用户建立一个帐号，并记录这

个用户的主要信息，如用户名，口

令，这些信息存放在系统文件内。

当用户登录时，系统将用户打入信

息与该文件进行比较，若匹则为合

法用户，并为其创建用户进程，其

标志:提示符

惶

3.子进程：(UNIX)中用FORK系统调用

创建一个子进程

4.后台命令

5.保护机制

惶

3.4系统调用

系统调用与命令

使用方式不同，形式相同

系统调用是嵌入到程序中使用，命

令是交互式使用

惶

汇编程序例子：打印5个字符

方法1：调用DOS功能

MOVEA,PARA1

MOVEB,PARA2

INT21H

方法2：用OUT语句直接打印

LI：MOVEA,I

INADDRI,B

ORB,BS

JNCLI

OUTADDR2,A

RET

惶

I/O设备的硬件接口，一般由四种寄

存器（地址，数据，状态，控制）

或其子集组成，任一程序中若要使

用I/O设备来输出数据或接受输入，

必须通过对这四种寄存器读写的I/O

机器指令进行

惶

而使用INT的程序段则简单许多。程

序员不再需要与接口寄存器打交道,

只需一个简单的调用即可

汇编程序例子2：读写硬盘文件内容

MOVEDX,OFFSETBUFF

MOVECX,BYTE

MOVEBX,HANDLE

MOVEAH,3FH

INT21H

磁盘读写的例子：更复杂

A、磁盘的控制和状态接口寄存器比

打印机的复杂的多，而且还有地址接

口寄存器

B、通常一个外存存储介质上可以存

放多个文件，随着文件的建立、删除

和拷贝在不停地变化，每个文件的长

度随着其内容的变化而不停地变化

惶

高级语言例子：打印5个字符

charbuff[4]=a6abcde,9;

for(i=4;i>=0;i—)

print(buff[i]);

惶

高级语言例子：

读硬盘文件门的第10到20个字节

seek(fd,10,0);

read(fd,buff,11);

惶

A=A+l

printf(…)

B=■B+A

(1)源程序段

凡是与硬件相关、与应用无关的工作,

都通过操作系统程序来完成

惶

用户程序

函数

操作系统

用户程序中对操作系统的调用称为系

统调用(systemcall)

每个操作系统都提供几百种系统调用,

包括：外存文件与目录的读写，各

种I/O设备的使用，在程序中启动另

一个程序，查询和统计系统资源使

用情况等等

惶

实际上系统调用语句本身是硬件提供

的（机器指令），但其所调用的功

能是操作系统提供的。每种机器的

机器指令集中都有一条系统调用指

令（又称访管指令）

INT指令的执行过程:

初将PC与PSW入栈成根据该指令的参数

将内存中断向量表的相应位置的内

容读入成执行操作系统内部代码

惶

IRET指令的执行过程:

初以栈顶内容置PSW和PC初

惶

系统调用方式(INT)与程序中一般

的调用方式的相同点和不同点：

惶

改变指令流程

重复执行和公用

改变指令流程后需要返回原处

同一程序中不包含被调用代码

转向的地址是活的：地址不写在程序

中，不同的调用地址不同

返回地址是活的：不同的调用返回的

地址不同

是安全接口：可随意进入被调用方

惶

系统调用是动态调用，程序中不包含

被调用代码，好处：

(1)用户程序长度缩短

(2)当OS升级时，调用方不必改变

惶

系统调用方式的调用地址和返回地址

都是不固定的，系统调用指令中不

包含调用地址，只包含功能号，是

按功能号（在可执行目标程序中）

调用的。在操作系统内部,由系统

调用处理程序通过系统调用分支表

（OS的一个数据结构）将功能号转

换为相应的指令地址

惶

OS的系统调用分支表

OS代码

用户程序

OS

系统调用返回指令中不包括返回地址,

通过栈保存和弹出返回地址。

系统调用返回地址不固定，因为用户

程序在不同的地方调用OS。

惶

安全接口：

INT指令和IRET指令的执行过程中，

要处理程序状态字PSW,INT指令中

要保存用户程序的老PSW,并根据中

断向量表设置新PSW;IRET指令中要

在返回用户程序前恢复用户程序的

老PSW

惶

其目的：目态、管态的管理

系统态与用户态的转换，是由系统在

INT指令与IRET指令内部自动完成的,

而没有用一条单独的专门指令。这

样可以有效地防止在系统态下执行

用户程序

惶

CALL调用方式是静态调用，被调用代

码与调用代码在同一程序之内

惶

有两种可能性:

被调用代码是专门为该软件编制,

即基于模块划分或仅限于本软件范

围内的公用或重复使用（没有问题）

被调用代码来自公用软件（函数,¥)

惶

CALL调用方式，其调用地址是固定

的，包含在调用语句中；返回地址

是不固定的，在程序执行过程中通

过栈的实现来保存和弹出返回地址

惶

CALL指令的内部实现过程：

私返回地址压栈（即该CALL指令所在

的地址）司将该CALL指令孑所含的

地址（即被调用代码所在地址）送

入PC

RET指令的内部实现过程：

W从栈顶弹出返回地址送入程序计数

器PC

其它如jump,jnc,LOOP指令也如此

惶

3.5操作系统的安装与启动

操作系统怎样开始运行

怎样形成一种系统操作环境

怎样从程序的顺序执行转换到支持程

序的并发执行

3.5.1操作系统的引导和装入

两种方式：

独立引导(bootup)

辅助下装(download)

惶

独立引导方式：大多数系统采用，操

作系统的核心文件存储在系统本身

的存储设备中，由系统自己将操作

系统核心程序读入内存并运行，最

后建立一个操作环境

惶

步骤：

1.系统加电，执行系统初启程序

2.执行初启程序，对系统硬件和配置

进行自检，保证系统没有硬件错误

3从硬盘中读入操作系统初启文件，并

将控制权交给该程序模块

惶

(4)执行操作系统初启程序，完成系统

环境配置和操作系统初始化工作

⑸继续读入其余的操作系统文件，逐

个执行相应的系统程序，完成操作

系统各种功能模块的装入，完善操

作系统的操作环境，做好程序并发

执行的准备