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1、操作系统 Operating System第二章第二章 用户与操作系统接口用户与操作系统接口教学目的教学目的&操作系统应该为用户使用计算机提供两类接操作系统应该为用户使用计算机提供两类接口口系统命令接口系统命令接口和和系统调用接口系统调用接口。系统命系统命令接口令接口可完成用户作业的组织和控制；可完成用户作业的组织和控制；系统调系统调用接口用接口是操作系统提供给软件开发人员的唯一是操作系统提供给软件开发人员的唯一接口，开发人员可利用它使用系统功能。接口，开发人员可利用它使用系统功能。本章重点本章重点&掌掌握握作业组织和控制的概念，熟熟悉悉作作业调度算法业调度算法。&掌掌握握系统调用的概念（广义
2、指令）、特点以及与普通过程调用的区别。2.1 2.1 作业组织和控制作业组织和控制2.2 2.2 系统调用系统调用(SYSTEM CALL)SYSTEM CALL)2.3 2.3 图形用户接口图形用户接口(GUI)GUI)1 1、作业及相关概念、作业及相关概念1 1）作业：）作业：用户在一次解题过程中或一个事务处理中用户在一次解题过程中或一个事务处理中要求计算机系统所作工作的总和，它是用户向计算要求计算机系统所作工作的总和，它是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位。机系统提交一项工作的基本单位。F用户的观点：用户的观点：在一次业务处理过程中，从输入程在一次业务处理过程中，从输入程序和数据到输
3、出结果的全过程。序和数据到输出结果的全过程。F系统的观点（针对作业进行资源分配）：系统的观点（针对作业进行资源分配）：作业由作业由程序及数据（作业体）和作业说明书（作业控制程序及数据（作业体）和作业说明书（作业控制语言）语言）2 2）作业步：）作业步：是在一个作业的处理过程中，计算机所是在一个作业的处理过程中，计算机所做的相对独立的工作。做的相对独立的工作。3 3）作业流：）作业流：批量系统中需要将一批作业依次输入到批量系统中需要将一批作业依次输入到辅助存储器中，形成作业流。辅助存储器中，形成作业流。21 作业组织和控制作业组织和控制21 作业组织和控制作业组织和控制&对于一个作业，一般系统要
4、进行以下几对于一个作业，一般系统要进行以下几项工作：项工作：1、编辑、编辑2、编译、编译3、装入、装入4、运行、运行 各个作业步都是相关的各个作业步都是相关的4 4）作业类型：）作业类型：脱机作业：脱机作业：也称为也称为批量型操作批量型操作，在一，在一次业务处理过程中，从输入程序和数据次业务处理过程中，从输入程序和数据到输出结果的全过程。到输出结果的全过程。F联机作业：联机作业：也称为也称为交互型操作或终端操作交互型操作或终端操作，是指用户直接与计算机系统交互作用来控是指用户直接与计算机系统交互作用来控制作业的运行，多出现在分时系统和单用制作业的运行，多出现在分时系统和单用户微机操作系统中。户
5、微机操作系统中。在兼顾分时操作与批量处理的系统中，通在兼顾分时操作与批量处理的系统中，通常终端作业称为常终端作业称为前台作业前台作业，而把批量作业称，而把批量作业称为为后台作业后台作业。21 作业组织和控制作业组织和控制&批量型作业一般由作业申请和作业体两批量型作业一般由作业申请和作业体两部分组成部分组成作业申请分为：作业情况和资源要求作业申请分为：作业情况和资源要求作业体分为：作业说明书和目标程序作业体分为：作业说明书和目标程序2 2、作业的处、作业的处理流程理流程21 作业组织和控制作业组织和控制提提交交后后备备完完成成运行运行就绪就绪阻塞阻塞调度调度I/OI/O完成完成执行执行时间片到时
6、间片到I/OI/O请求请求SPOOLinSPOOLing g程程 序序作业调度作业调度程程 序序进程调度进程调度程程 序序交通控交通控制制程程 序序3 3、作业调度、作业调度 任务是根据当前系统中的任务是根据当前系统中的空闲资源空闲资源，并按照一，并按照一定算法在后备作业队列中定算法在后备作业队列中选取一个合适的作业投入选取一个合适的作业投入运行（改变作业状态，分配资源、运行（改变作业状态，分配资源、创建进程创建进程，回收，回收资源）资源）。作业调度也称为宏观调度作业调度也称为宏观调度。【调度算法的评价因素】【调度算法的评价因素】F作业作业吞吐率（吞吐率（单位时间里处理作业的个数单位时间里处理
7、作业的个数)：运：运行尽可能多的作业；行尽可能多的作业；F充分充分利用资源利用资源：CPUCPU忙、忙、I/OI/O设备忙；设备忙；F对各作业对各作业公平公平、合理合理，使用户，使用户满意满意：执行时间长：执行时间长短、等待时间等；短、等待时间等；【周转时间】：【周转时间】：从提交到完成的时间。等待运行从提交到完成的时间。等待运行21 作业组织和控制作业组织和控制【作业调度算法】【作业调度算法】1 1）先来先服务（）先来先服务（FCFSFCFS）：）：按照作业进入系统的按照作业进入系统的先后先后次序次序进行调度，先进入系统者先调度；即启动等待进行调度，先进入系统者先调度；即启动等待时间最长的作
8、业。时间最长的作业。F优点：优点：实现实现简单、公平简单、公平F缺点：缺点：没考虑资源利用率和作业的特殊性没考虑资源利用率和作业的特殊性2 2）短作业优先）短作业优先（SJFSJF）：）：以要求以要求运行时间长短运行时间长短进行调进行调度，即启动要求运行时间最短的作业。度，即启动要求运行时间最短的作业。F优点：优点：易于实现，强调了资源的充分利用，保证易于实现，强调了资源的充分利用，保证了系统的最大吞吐率。了系统的最大吞吐率。F缺点：缺点：不公平，会造成长作业长期等待。不公平，会造成长作业长期等待。假设系统中所有作业假设系统中所有作业同时到达同时到达，可以证明采用，可以证明采用SJFSJF能得
9、到最短的作业平均周转时间。能得到最短的作业平均周转时间。21 作业组织和控制作业组织和控制3 3）高响应比优先）高响应比优先(HRF)HRF)：响应比最高的作业优先启动。响应比最高的作业优先启动。该算法是该算法是FCFSFCFS和和SJFSJF的结合，克服了两种算法的缺点。的结合，克服了两种算法的缺点。其中响应比的定义如下：其中响应比的定义如下：响应比响应比=(=(估计运行时间估计运行时间+等待时间等待时间)/)/估计运行时间估计运行时间F优点：优点：公平，吞吐率大。公平，吞吐率大。F缺点：缺点：增加了计算，增加了开销。增加了计算，增加了开销。4 4）高优先级优先：）高优先级优先：由用户指定作
10、业优先级，优先级由用户指定作业优先级，优先级高的作业先启动。高的作业先启动。5 5）资源均衡型调度：）资源均衡型调度：把作业分类，作业调度从不同把作业分类，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：类型作业中去调度作业，根据作业对资源要求分类：I/OI/O型、型、CPUCPU型和均衡型型和均衡型 实际的算法可能会是多种算法的综合实际的算法可能会是多种算法的综合。21 作业组织和控制作业组织和控制4 4、作业控制、作业控制 1 1）脱机作业控制：）脱机作业控制：用户输入用户输入作业控制卡或作业作业控制卡或作业说明书说明书，整个作业的运行由系统控制。，整个作业的运行由系统控制。2
11、 2）联机作业控制：）联机作业控制：通过通过人人-机会话方式机会话方式控制作控制作业运行。业运行。用户登录（控制台登录或远程登录），用户登录（控制台登录或远程登录），由系统自动执行一些命令脚本后，并进入由系统自动执行一些命令脚本后，并进入shellshell（字符或字符或GUIGUI界面），接受用户的命令界面），接受用户的命令和操作，最后退出系统。和操作，最后退出系统。21 作业组织和控制作业组织和控制 系统调用是操作系统提供给软件开发人员的唯系统调用是操作系统提供给软件开发人员的唯一接口，开发人员可利用它使用系统功能一接口，开发人员可利用它使用系统功能。OSOS核心核心中都有一组实现系统功能
12、的过程（子程序），系统中都有一组实现系统功能的过程（子程序），系统调用就是对上述过程的调用。调用就是对上述过程的调用。1 1、系统调用的基本概念、系统调用的基本概念【算态与管态】【算态与管态】计算机系统中的程序可分为系统程序与用户程计算机系统中的程序可分为系统程序与用户程序两类。序两类。处理器运行系统程序的状态称为管态、特处理器运行系统程序的状态称为管态、特权状态或系统状态；运行用户程序的状态为算态、权状态或系统状态；运行用户程序的状态为算态、目态或用户态。目态或用户态。通常在程序的状态字中设置。通常在程序的状态字中设置。22 系统调用系统调用【特权指令与访管指令】【特权指令与访管指令】特权指
13、令特权指令是一类只能在管态下而执行的特殊机是一类只能在管态下而执行的特殊机器指令。常见有以下几类：器指令。常见有以下几类：F传送程序状态字指令。传送程序状态字指令。F启动、测试和控制外设指令。启动、测试和控制外设指令。F存取特殊寄存器指令。存取特殊寄存器指令。访访管管指指令令是是用用户户在在程程序序中中用用来来调调用用操操作作系系统统提提供供的的子子功功能能集集合合。其其中中每每一一个个子子功功能能称称为为一一个个系系统统调调用用命命令令，也也称称为为一一条条广广义义指指令令(若若干干条条机机器器指指令令构构成成，用以完成特定功能的一段程序用以完成特定功能的一段程序)。主要功能：。主要功能：F
14、实现从算态到管态的改变；实现从算态到管态的改变；F在算态下由操作系统代替用户完成其请求；在算态下由操作系统代替用户完成其请求；F操作系统工作完成后由管态返回算态。操作系统工作完成后由管态返回算态。22 系统调用系统调用2 2、系统调用、系统调用 为了保证为了保证OSOS不被用户程序破坏不被用户程序破坏,不允许用户程不允许用户程序直接访问序直接访问OSOS的系统程序和数据的系统程序和数据,只能用系统调用只能用系统调用访问。访问。用户在用户在程序中程序中调用操作系统提供的子功能称调用操作系统提供的子功能称为系统调用为系统调用。F是特殊的过程调用是特殊的过程调用,由特殊的机器指令（由特殊的机器指令（
15、广义指广义指令令）实现。）实现。F系统调用指令还将系统转入管态。系统调用指令还将系统转入管态。系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口口,利用系统调用利用系统调用,动态请求和释放系统资源动态请求和释放系统资源,完成完成与硬件相关的工作以及控制程序的执行等。与硬件相关的工作以及控制程序的执行等。22 系统调用系统调用3 3、系统调用与一般过程调用的比较、系统调用与一般过程调用的比较【相同点】【相同点】:改变指令流程改变指令流程,转去执行公用程序段。转去执行公用程序段。【不同点】：【不同点】：F一般过程调用一般过程调用,调用程序和被调用程序都运行在调用程序
16、和被调用程序都运行在相同状态相同状态(管态或算态管态或算态)；而系统调用；而系统调用,调用程序调用程序在算态在算态,被调用程序在管态。被调用程序在管态。F一般过程调用调用时不涉及系统状态转换一般过程调用调用时不涉及系统状态转换,直接直接转向被调用过程转向被调用过程;而系统调用调用时涉及系统状而系统调用调用时涉及系统状态的转换态的转换,不允许由调用过程直接转向被调用过不允许由调用过程直接转向被调用过程程,要先通过要先通过软中断机制软中断机制由用户态转换为核心态由用户态转换为核心态,在在OS OS 核心分析后核心分析后,再转向相应的系统调用处理再转向相应的系统调用处理子程序。子程序。22 系统调用
17、系统调用4 4、系统调用类型：、系统调用类型：系统的功能分为两部分：系统的功能分为两部分：(1)(1)系统自身所需要的。系统自身所需要的。(2)(2)作为服务提供给用户的。作为服务提供给用户的。Linux Linux系统调用的类型系统调用的类型:(P33)P33)1 1）进程控制类系统调用进程控制类系统调用:创建和终止进程创建和终止进程.等待子进程结束等待子进程结束.获得和设置进程属性获得和设置进程属性.执行一个可执行文件执行一个可执行文件(覆盖调用者覆盖调用者).).进程暂停进程暂停.2 2）进程通讯类系统调用）进程通讯类系统调用:消息传递方式消息传递方式:打开连接打开连接/接收连接接收连接
18、,发送发送/接收消息接收消息;共享存储区方式共享存储区方式:建立存储区建立存储区,建立连接建立连接,读读/写存储区写存储区 3 3）文件管理类系统调用）文件管理类系统调用:创建和删除文件打开和关闭文件创建和删除文件打开和关闭文件.读读/写文件写文件.移动读移动读/写写指针指针.改变文件属性改变文件属性.共享的连接和去连接共享的连接和去连接,建立目录建立目录.4 4）信息维护类系统调用）信息维护类系统调用:设置和获得系统时间设置和获得系统时间.获得进程时间获得进程时间.设置文件访问和修改设置文件访问和修改时间时间.获得当前系统名称串获得当前系统名称串,标准名标准名,在网络中的名称在网络中的名称2
19、2 系统调用系统调用5 5、系统调用的实现过程、系统调用的实现过程 需要有一个类似于硬件中断处理的处理需要有一个类似于硬件中断处理的处理机构（机构（陷入硬件机构陷入硬件机构）。）。当用户使用操作系当用户使用操作系统调用时，产生一条相应的指令，处理机在统调用时，产生一条相应的指令，处理机在执行到该指令时发生相应的中断，并发出有执行到该指令时发生相应的中断，并发出有关的信号给该处理机构，该处理机构在收到关的信号给该处理机构，该处理机构在收到了处理机发来的信号后，启动相关的处理程了处理机发来的信号后，启动相关的处理程序去完成该系统调用所要求的功能。序去完成该系统调用所要求的功能。22 系统调用系统调
20、用【中断和陷入硬件机构】【中断和陷入硬件机构】1)中断是中断是CPU对系统发生的某对系统发生的某(外部外部)事件的响应事件的响应。2)陷入陷入(内中断，捕获内中断，捕获)是由是由CPU内部事件引起的中断内部事件引起的中断 如如:非法指令、地址越界、溢出、电源故障等。非法指令、地址越界、溢出、电源故障等。陷入由执行现行指令引起，中断则与现行指令无关。陷入由执行现行指令引起，中断则与现行指令无关。还可以还可以把由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入把由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入或异常指令或异常指令(或称访管指令或称访管指令)，或软中断指令，或软中断指令。从中断的。从中断的观点看观点看
21、,引起中断的事件就是系统调用本身。引起中断的事件就是系统调用本身。被中断程序被中断程序中断处理中断处理程序程序中断点中断点22 系统调用系统调用 3)每个系统调用都对应一个事先给定的功能号。每个系统调用都对应一个事先给定的功能号。在陷入指令中必须包括对应系统调用的功能号在陷入指令中必须包括对应系统调用的功能号,而且，还带有传给陷入处理机构和内部处理程序的有而且，还带有传给陷入处理机构和内部处理程序的有关参数。关参数。4)中断和陷入向量中断和陷入向量 必须为系统调用功能的各子程序编造陷入必须为系统调用功能的各子程序编造陷入(中断中断)向量表，每个表目由入口地址和处理机状态字向量表，每个表目由入口
22、地址和处理机状态字PSW两个字组成；陷入处理机构把陷入指令包含的功能号两个字组成；陷入处理机构把陷入指令包含的功能号与入口地址表项相对应，执行对应的子程序。与入口地址表项相对应，执行对应的子程序。5)保护和恢复现场：保护和恢复现场：在进入系统调用之前，在系统栈保护处理机现场。在进入系统调用之前，在系统栈保护处理机现场。在系统调用结束之后要恢复处理机现场。在系统调用结束之后要恢复处理机现场。22 系统调用系统调用 system call 入口表入口表 (1)转系统转系统态态 保护现场保护现场(2)取系统取系统调调 用功能号用功能号 并寻找子并寻找子 程序入口程序入口A0A1Ai AnA0 A1A
23、iAnSub0Sub1SubiSubn 用户程序用户程序(3)恢复现恢复现场场 返回返回 陷入处理机构陷入处理机构 系统子程序系统子程序系统调用的处理过程系统调用的处理过程 在命令行方式下，用户与操作系统的交互在命令行方式下，用户与操作系统的交互要求用户要求用户记忆命令格式记忆命令格式。在图形用户接口方式下，用户可利用鼠标在图形用户接口方式下，用户可利用鼠标对屏幕上的对屏幕上的图标进行操作图标进行操作，完成与操作系统的，完成与操作系统的交互，从而减少记忆内容，方便用户使用。它交互，从而减少记忆内容，方便用户使用。它的技术基础是的技术基础是高分辩显示器和鼠标高分辩显示器和鼠标。1 1、窗口系统、
24、窗口系统(window system)window system)的特点的特点 2 2、窗口系统的图形元素及其状态、窗口系统的图形元素及其状态 23 图形用户接口图形用户接口(GUI)F利用图形元素表示功能：利用图形元素表示功能：将各种图形元素显示在屏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）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。来执行相应的功能。F同屏多窗口与并发进程相对应：同屏多窗口与并发进程相对应：屏幕上同时显示多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
25、销。态创建、改变、撤销。F输入方式：鼠标输入方式：鼠标指针点击（或其他定位设备）和指针点击（或其他定位设备）和键键盘盘输入；通常是输入；通常是即时交互一致的图形元素风格即时交互一致的图形元素风格可方便可方便用户学习和使用：如按钮、滚动条。用户学习和使用：如按钮、滚动条。【优点】：【优点】：操作直观，可与多个进程交互，便于进行操作直观，可与多个进程交互，便于进行多媒体处理。简而言之：多媒体处理。简而言之：交互交互的的并发并发性好、传递性好、传递信息信息量大。量大。1.窗口系统的特点窗口系统的特点【窗口【窗口(window)window)】：】：屏幕上的屏幕上的矩形区域矩形区域F包括：包括：标题条
26、标题条(title bar)title bar)、边框边框(border)border)、窗口窗口角角(corner)corner)、系统菜单框系统菜单框(system menu box)system menu box)、最最大化大化/最小化按钮最小化按钮(maximize/minimize)maximize/minimize)、滚动条滚动条(scroll bar)scroll bar)等等F状态：状态：当前当前/非当前非当前窗口窗口(active/inactive)active/inactive)接受输入，最大化接受输入，最大化/最小化最小化/恢复原大小恢复原大小(restore)resto
27、re)，窗口的窗口的前后遮盖前后遮盖Z Z轴，轴，焦点焦点(focus)focus)接接受键盘输入（而非鼠标）受键盘输入（而非鼠标）【图标【图标(icon)icon)】：】：一个小图象一个小图象(如如3232x32x32或或6464x64 x64 pixel)pixel)，通常供鼠标指针点击。通过不同的图标可通常供鼠标指针点击。通过不同的图标可以以标识不同的对象标识不同的对象。如：可执行程序、最小化的窗。如：可执行程序、最小化的窗口、文件口、文件动画图标动画图标2.窗口系统的图形元素及其状态窗口系统的图形元素及其状态【鼠标指针【鼠标指针(mouse pointer)mouse pointer)
28、】：】：鼠标指针通常对应屏鼠标指针通常对应屏幕上的幕上的光标光标(cursor)cursor)。F光标在屏幕上只有一个，在不同屏幕位置可以呈光标在屏幕上只有一个，在不同屏幕位置可以呈现现不同形状，不同形状，可以独立于鼠标来直接操纵光标。可以独立于鼠标来直接操纵光标。F鼠标点击：鼠标点击：左键左键/右键右键/中键中键，单击单击(click)/click)/双击双击(double-click)double-click)，拖曳拖曳/拖放拖放；【按钮【按钮(button)button)】：】：鼠标点击或按回车键鼠标点击或按回车键/空格键时执空格键时执行相应功能行相应功能；提供单项或多项选择，如提供单项
29、或多项选择，如RadioButtonRadioButton和和CheckButtonCheckButton；当前按钮及其切换。当前按钮及其切换。【菜单【菜单(menu)menu)】：】：临时窗口，菜单条临时窗口，菜单条(menu bar)menu bar)、弹弹出式菜单、下拉式菜单（上下文相关菜单）出式菜单、下拉式菜单（上下文相关菜单）【对话框【对话框(dialog box)dialog box)】：】：临时窗口，显示提示信息临时窗口，显示提示信息(message)message)或填写用户设置。或填写用户设置。2.窗口系统的图形元素及其状态窗口系统的图形元素及其状态课堂练习课堂练习2.1 脱
30、机用户接口是配置在脱机用户接口是配置在 A A 操作系统中操作系统中的，它是由一组的，它是由一组 B B 所组成，联机用户接口所组成，联机用户接口是由一组是由一组 C C 所组成，而程序接口则是由一所组成，而程序接口则是由一组组 D D 所组成。所组成。A A：（：（1 1）微机；微机；（2 2）批处理；）批处理；（3 3）分时；）分时；（4 4）实时。）实时。B B、C C、D D：（1 1）系统调用；系统调用；（2 2）库函数；）库函数；（3 3）键盘命令；）键盘命令；（4 4）作业控制语言。）作业控制语言。第二章第二章 作业作业*1.*1.什什么么是是系系统统调调用用，说说明明系系统统调调用用的的特特点点及及其其过程过程。2.2.假定在一个处理机上执行以下五个作业，假定在一个处理机上执行以下五个作业，作业号作业号1 12 23 34 45 5 到达时间到达时间 0 02 2 4 46 68 8 运行时间运行时间 3 36 6 4 45 52 2 当当分分别别采采用用FCFSFCFS、SJF(SJF(短短作作业业优优先先)和和HRRNHRRN（响响应应比比高高者者优优先先）三三种种调调度度算算法法时时，作作业业的的调调度度次次序序以以及及各各个个作作业业的的平平均均周周转转时时间间是是多少？多少？