操作系统 第7章操作系统的接口
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操作系统的接口种类
操作系统是用户与计算机系统之间的接 口，用户在操作系统的帮助下，可以安 全可靠、方便、快速地使用计算机系统。 操作系统的三种接口 命令级接口 程序级接口 图形级接口
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（一）命令级接口
系统提供作业控制语言或操作控制命令，来 使用户利用这些命令组织和控制作业的执行。
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
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最高响应比优先作业算法计算结果
估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） JOB1 120 8：00 8：00 10：00 JOB2 50 8：50 10：10 11：00 JOB3 10 9：00 10：00 10：10 JOB4 20 9：50 11：00 11：20 作业平均周转时间 T = 102.5 作业带权平均周转时间 W = 3.775 作业 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 130 2.6 70 7 90 4.5 410 15.1
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作业的处理过程
运行
待 等 O I/
进 调 程 度
完成
作业调度 用户 提交 收容 就绪
I/O 完成
阻塞
执行 作业录入 作业调度
作业提交：作业的输入； 作业执行：先到"就绪"，经调度"运行"，有I/O请求" 等待"，I/O完成到"就绪" 作业完成：作业的输出；
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访管指令
用户程序在算态下运行，只能使用算态指令，而
操作系统是系统程序，在管态下运行，它既可使用算
态指令，也能使用特权指令。而用户要使用外设， 必须在管态下完成， 因而引入访管指令。 访管指令主要功能为： ① 实现从算态到管态的改变； ② 在管态下由操作系统代替用户完成其请求； ③ 操作系统工作完成后由管态返回到算态。
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JCB是在一个表格中填写用于控制作业执行的相关信息， 相当一个信息记录。
作业名 JCB 1 Job-a Job-b Job-c 执行时间 15 7 30 优先数 4 5 2 … … … … 外存地址 3000H 7600H 6020H
JCB 2
JCB 3
. .Βιβλιοθήκη …………
…
JCB n
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最短作业优先作业算法计算结果
作业 估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） 120 8：00 8：00 10：00 50 8：50 10：30 11：20 10 9：00 10：00 10：10 20 9：50 10：10 10：30 作业平均周转时间 T = 95 作业带权平均周转时间 W = 3.25 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 150 3 70 7 40 2 380 13
先来先服务（FCFS: First Come First Serve ）： 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；即启动等待时间最长的作业。 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
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作业调度算法
短作业优先（SJF: Shortest Job First ）： 以要求运行时间长短进行调度，即启动要求运 行时间最短的作业。
作业的建立
发作业 输入请求 中断信号
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
作业1的 程序和数据 作业2的 程序和数据
外存
JCB1 JCB2
发作业 输入完毕 中断信号
CPU
作业队列，有资格 申请内存和CPU
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作业控制块（JCB）
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程序接口--系统调用
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系统调用
指系统为用户程序调用操作系统核心中实现系统功
能的过程（子程序） 是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能， 是特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现这个指令， 还将系统转入管态。 是操作系统提供给编程人员的唯一接口，利用系统调 用，动态请求和释放系统资源，完成与硬件相关的工作 以及控制程序的执行等。 在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入（trap） 处理机构，与此相对应访管指令也称为陷入指令 。 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。
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（二）程序级接口
是系统为用户在程序一级提供有关服务而设 置的接口。 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
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（三）图形级接口
它直接支持命令接口和程序接口， 面对交互式操作和非交互式操作，提供 屏幕、表格、视窗和其它可视化交互功 能（如窗口、菜单、按钮和对话框等）， 以标准方式使用户与系统沟通，提供一 个易使用的操作平台。用户在此平台上， 可以方便地寻找和使用命令、执行各类 程序、完成各种操作。
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长短、等待时间等；
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作业调度性能衡量指标
(1)作业平均周转时间T
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；
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作业调度性能衡量指标
(2)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；
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作业调度算法
(1) 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。
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(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
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。 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。
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作业调度算法
高响应比优先（HRF: Highest Response Ratio Next ）：响应比最高的作业优先启动。
第 7章 操作系统接口
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系统态与用户态
在计算机系统中存在两类不同的程序：一类是 用户程序，一类是系统程序。而且用户程序必需 在系统程序的控制和管理下运行。 我们把用户工作的状态称为算态或用户态或目 态；将系统程序工作的状态称为管态或系统态。 引发管态的指令：有关对外设使用的指令，有 关访问程序状态的指令， 存取特殊寄存器指令
估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） JOB1 120 8：00 8：00 10：00 JOB2 50 8：50 10：00 10：50 JOB3 10 9：00 10：50 11：00 JOB4 20 9：50 11：00 11：20 作业平均周转时间 T = 112.5 作业带权平均周转时间 W = 4.975 作业 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 120 2.4 120 12 90 4.5 450 19.9
响应比 = 周转时间 / 估计运行时间 =（等待时间+估计运行时间）/ 估计运行时间 = 1 + 等待时间 / 估计运行时间 优点: 公平，吞吐率大 缺点: 增加了计算，增加了开销
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作业调度算法
高优先级优先（HPF：Highest Priority First）：由用户指定作业优先级，优先级高 的作业启动。 资源均衡型调度：把作业分类，作业调度从不 同类型作业中去调度作业
作业
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
估计运 开始时 行时间 间 （分钟） 120 8：00 50 8：50 10 9：00 20 9：50 作业平均周转时间 T = 作业带权平均周转时间 W =
进入时 间
结束时 间
周转时 带权周 间 转时间 （分钟）
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先来先服务调度算法计算结果
批处理作业
作业的类别
交互式作业(终端作业) 作业：由不同的顺序相连的作业步组成。 作业步：在一个作业的处理过程中，计算机所做 的相对独立的工作。
典型的作业控制过程： “编译”、“连接装配”、 “运行”
作业流：一次有一批作业进入系统，并在操作系 统控制下，一个接一个地顺序进行处理。
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( job control block )
为了对输入系统的作业进行管理，系统 为每个作业建立一个作业控制块(JCB)，其 中保存系统对于作业进行管理所需要的全 部信息，它们被保存于磁盘区域中。并将 各个作业的作业控制块按照作业进入的先 后顺序排成一个作业后备队列。从而使一 个作业队列建立起来，并设置一个链指针， 指向这个作业队列的头一个作业。
脱机接口（JCL）--作业管理
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作业的概念
一个作业是指在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。
一个编程过程的作业实例：
需求分析
概念
修改
功能 设计
结构 设计
详细 设计
编辑 输入
建档
输出
执行
链接
编译
调试
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根据作业对资源要求分类：I/O型、CPU型和均衡型
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作业调度算法应用例子
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。
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作业调度
检查系统是否满足作业的资源要求，并一定算法 选取作业（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） 。作业调度也称为宏观调度（高级调度）。
作业调度算法的评价因素
作业吞吐量：运行尽可能多的作业；
充分利用资源：CPU忙、I/O设备忙； 对各作业公平、合理，使用户满意：执行时间
作业控制块表格中可存放n个作业(即n个JCB信息)
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作业控制块（JCB）
作业控制块是一个表格，作业控制块包含了作业 描述信息和作业的资源请求信息以及作业在外存 输入井的地址位置。 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。
系统调用
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系统调用read的执行过程
第1-3步，通过把参数压入堆栈，记录read执行要求 第4步，对read的库过程进行实际调用 第5步，系统调用的编号被写入特定位置 第6步，执行TRAP指令切换到系统态 第7步，内核根据编号找到正确的read系统调用处理 程序。 第8步，系统根据参数而运行处理程序 第9步，执行完毕，TRAP指令返回read库过程 第10步，从库过程把结果返回给调用位置的SP堆栈 第11步，调用完了read，用户程序清除堆栈。
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系统调用
操作系统和用户程序之间的接口是通过 操作系统提供的一套系统调用来定义的。 在某种意义上，进行系统调用就像进行 一个特殊的过程调用，但是只有系统调 用可以进入内核（系统态），而过程调 用则不能。 系统调用是通过一系列步骤完成，如下 图，read的过程
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作业的组成
作业由程序、数据和作业说明书三部分组成。 作业说明书包括作业基本情况、作业控制、作业 资源要求的描述；它体现用户的控制意图。（如预 计运行时间、要求资源情况、执行优先级等）。
作业基本情况：用户名、作业名、编程语言、最大处理时 间等； 作业控制描述：作业控制方式、作业步的操作顺序、作业 执行出错处理； 作业资源要求描述：处理时间、优先级、内存空间、外设 类型和数量、库函数和实用程序等；
操作系统的接口种类
操作系统是用户与计算机系统之间的接 口，用户在操作系统的帮助下，可以安 全可靠、方便、快速地使用计算机系统。 操作系统的三种接口 命令级接口 程序级接口 图形级接口
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（一）命令级接口
系统提供作业控制语言或操作控制命令，来 使用户利用这些命令组织和控制作业的执行。
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最高响应比优先作业算法计算结果
估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） JOB1 120 8：00 8：00 10：00 JOB2 50 8：50 10：10 11：00 JOB3 10 9：00 10：00 10：10 JOB4 20 9：50 11：00 11：20 作业平均周转时间 T = 102.5 作业带权平均周转时间 W = 3.775 作业 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 130 2.6 70 7 90 4.5 410 15.1
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作业的处理过程
运行
待 等 O I/
进 调 程 度
完成
作业调度 用户 提交 收容 就绪
I/O 完成
阻塞
执行 作业录入 作业调度
作业提交：作业的输入； 作业执行：先到"就绪"，经调度"运行"，有I/O请求" 等待"，I/O完成到"就绪" 作业完成：作业的输出；
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访管指令
用户程序在算态下运行，只能使用算态指令，而
操作系统是系统程序，在管态下运行，它既可使用算
态指令，也能使用特权指令。而用户要使用外设， 必须在管态下完成， 因而引入访管指令。 访管指令主要功能为： ① 实现从算态到管态的改变； ② 在管态下由操作系统代替用户完成其请求； ③ 操作系统工作完成后由管态返回到算态。
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JCB是在一个表格中填写用于控制作业执行的相关信息， 相当一个信息记录。
作业名 JCB 1 Job-a Job-b Job-c 执行时间 15 7 30 优先数 4 5 2 … … … … 外存地址 3000H 7600H 6020H
JCB 2
JCB 3
. .Βιβλιοθήκη …………
…
JCB n
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最短作业优先作业算法计算结果
作业 估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） 120 8：00 8：00 10：00 50 8：50 10：30 11：20 10 9：00 10：00 10：10 20 9：50 10：10 10：30 作业平均周转时间 T = 95 作业带权平均周转时间 W = 3.25 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 150 3 70 7 40 2 380 13
先来先服务（FCFS: First Come First Serve ）： 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；即启动等待时间最长的作业。 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
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作业调度算法
短作业优先（SJF: Shortest Job First ）： 以要求运行时间长短进行调度，即启动要求运 行时间最短的作业。
作业的建立
发作业 输入请求 中断信号
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
作业1的 程序和数据 作业2的 程序和数据
外存
JCB1 JCB2
发作业 输入完毕 中断信号
CPU
作业队列，有资格 申请内存和CPU
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作业控制块（JCB）
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程序接口--系统调用
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系统调用
指系统为用户程序调用操作系统核心中实现系统功
能的过程（子程序） 是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能， 是特殊的过程调用，由特殊的机器指令实现这个指令， 还将系统转入管态。 是操作系统提供给编程人员的唯一接口，利用系统调 用，动态请求和释放系统资源，完成与硬件相关的工作 以及控制程序的执行等。 在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入（trap） 处理机构，与此相对应访管指令也称为陷入指令 。 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。
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（二）程序级接口
是系统为用户在程序一级提供有关服务而设 置的接口。 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
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（三）图形级接口
它直接支持命令接口和程序接口， 面对交互式操作和非交互式操作，提供 屏幕、表格、视窗和其它可视化交互功 能（如窗口、菜单、按钮和对话框等）， 以标准方式使用户与系统沟通，提供一 个易使用的操作平台。用户在此平台上， 可以方便地寻找和使用命令、执行各类 程序、完成各种操作。
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长短、等待时间等；
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作业调度性能衡量指标
(1)作业平均周转时间T
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；
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作业调度性能衡量指标
(2)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；
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作业调度算法
(1) 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。
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(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
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。 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。
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作业调度算法
高响应比优先（HRF: Highest Response Ratio Next ）：响应比最高的作业优先启动。
第 7章 操作系统接口
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系统态与用户态
在计算机系统中存在两类不同的程序：一类是 用户程序，一类是系统程序。而且用户程序必需 在系统程序的控制和管理下运行。 我们把用户工作的状态称为算态或用户态或目 态；将系统程序工作的状态称为管态或系统态。 引发管态的指令：有关对外设使用的指令，有 关访问程序状态的指令， 存取特殊寄存器指令
估计运 开始时 结束时 行时间 间 间 （分钟） JOB1 120 8：00 8：00 10：00 JOB2 50 8：50 10：00 10：50 JOB3 10 9：00 10：50 11：00 JOB4 20 9：50 11：00 11：20 作业平均周转时间 T = 112.5 作业带权平均周转时间 W = 4.975 作业 进入时 间 周转时 带权周 间 转时间 （分钟） 120 1 120 2.4 120 12 90 4.5 450 19.9
响应比 = 周转时间 / 估计运行时间 =（等待时间+估计运行时间）/ 估计运行时间 = 1 + 等待时间 / 估计运行时间 优点: 公平，吞吐率大 缺点: 增加了计算，增加了开销
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作业调度算法
高优先级优先（HPF：Highest Priority First）：由用户指定作业优先级，优先级高 的作业启动。 资源均衡型调度：把作业分类，作业调度从不 同类型作业中去调度作业
作业
JOB1 JOB2 JOB3 JOB4
估计运 开始时 行时间 间 （分钟） 120 8：00 50 8：50 10 9：00 20 9：50 作业平均周转时间 T = 作业带权平均周转时间 W =
进入时 间
结束时 间
周转时 带权周 间 转时间 （分钟）
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先来先服务调度算法计算结果
批处理作业
作业的类别
交互式作业(终端作业) 作业：由不同的顺序相连的作业步组成。 作业步：在一个作业的处理过程中，计算机所做 的相对独立的工作。
典型的作业控制过程： “编译”、“连接装配”、 “运行”
作业流：一次有一批作业进入系统，并在操作系 统控制下，一个接一个地顺序进行处理。
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( job control block )
为了对输入系统的作业进行管理，系统 为每个作业建立一个作业控制块(JCB)，其 中保存系统对于作业进行管理所需要的全 部信息，它们被保存于磁盘区域中。并将 各个作业的作业控制块按照作业进入的先 后顺序排成一个作业后备队列。从而使一 个作业队列建立起来，并设置一个链指针， 指向这个作业队列的头一个作业。
脱机接口（JCL）--作业管理
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作业的概念
一个作业是指在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。
一个编程过程的作业实例：
需求分析
概念
修改
功能 设计
结构 设计
详细 设计
编辑 输入
建档
输出
执行
链接
编译
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根据作业对资源要求分类：I/O型、CPU型和均衡型
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作业调度算法应用例子
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。
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作业调度
检查系统是否满足作业的资源要求，并一定算法 选取作业（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） 。作业调度也称为宏观调度（高级调度）。
作业调度算法的评价因素
作业吞吐量：运行尽可能多的作业；
充分利用资源：CPU忙、I/O设备忙； 对各作业公平、合理，使用户满意：执行时间
作业控制块表格中可存放n个作业(即n个JCB信息)
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作业控制块（JCB）
作业控制块是一个表格，作业控制块包含了作业 描述信息和作业的资源请求信息以及作业在外存 输入井的地址位置。 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。
系统调用
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系统调用read的执行过程
第1-3步，通过把参数压入堆栈，记录read执行要求 第4步，对read的库过程进行实际调用 第5步，系统调用的编号被写入特定位置 第6步，执行TRAP指令切换到系统态 第7步，内核根据编号找到正确的read系统调用处理 程序。 第8步，系统根据参数而运行处理程序 第9步，执行完毕，TRAP指令返回read库过程 第10步，从库过程把结果返回给调用位置的SP堆栈 第11步，调用完了read，用户程序清除堆栈。
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系统调用
操作系统和用户程序之间的接口是通过 操作系统提供的一套系统调用来定义的。 在某种意义上，进行系统调用就像进行 一个特殊的过程调用，但是只有系统调 用可以进入内核（系统态），而过程调 用则不能。 系统调用是通过一系列步骤完成，如下 图，read的过程
北京林业大学信息学院
作业的组成
作业由程序、数据和作业说明书三部分组成。 作业说明书包括作业基本情况、作业控制、作业 资源要求的描述；它体现用户的控制意图。（如预 计运行时间、要求资源情况、执行优先级等）。
作业基本情况：用户名、作业名、编程语言、最大处理时 间等； 作业控制描述：作业控制方式、作业步的操作顺序、作业 执行出错处理； 作业资源要求描述：处理时间、优先级、内存空间、外设 类型和数量、库函数和实用程序等；