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  • 多道批处理系统

    千次阅读 2020-09-02 15:12:23
    文章目录1 多道批处理系统 由于单道批处理会让速度超快的且价格超贵的CPU白白长时间的等待,拉低效率,这时候,多道批处理系统就出现了。 1 多道批处理系统 一个支持 Multiprogramming 的系统允许多道程序同时准备...


    由于单道批处理会让速度超快的且价格超贵的CPU白白长时间的等待,拉低效率,这时候,多道批处理系统就出现了。

    1 多道批处理系统

    一个支持 Multiprogramming 的系统允许多道程序同时准备运行。也就是允许多个作业进入到内存空间。此时,就涉及到一个问题,由于不像单道那样霸道,直接占用整个内存空间,此时就需要为多个作业进行内存划分,这些由内存空间内部的进程调度来解决,但是绝不是多个程序同时运行,而是多个程序准备运行
    当正在运行的的那道程序因为某种原因(比如,等待输出或输出数据)而暂时无法继续运行的时候,系统将自动地启动另一道程序运行。
    一旦原因消除(比如,数据已经到达或数据已经传输完毕),在那时停止运行的那道程序在将来某个时候还可以被系统重新启动继续运行

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  • 本文关于单道批处理系统多道批处理系统及分时系统的三者对比主要是从概念,特点,优缺点等方面展开; 参考内容:华中科技大学软件学院苏曙光老师的操作系统原理课程及现代操作系统第四版。 一.单道批处理系统 1....

    本文关于单道批处理系统,多道批处理系统及分时系统的三者对比主要是从概念,特点,优缺点等方面展开;
    参考内容:华中科技大学软件学院苏曙光老师的操作系统原理课程及现代操作系统第四版。

    一.单道批处理系统

    1.概念
    在这里插入图片描述
    2.特点

    • 自动:作业自动运行,无需干预
    • 批量:磁带上的各个作业按顺序地进入内存,先调入先完成
    • 单道:内存中仅有一道程序运行,可以看成是串行的

    3.CPU的利用情况
    在这里插入图片描述

    分析:外设和CPU交替空闲和忙碌,CPU和外设利用效率低

    4.缺点
    从单道批处理系统对CPU的利用情况可看出,作业运行过程中若发生IO请求,高速的CPU要等待低速的I/O操作完成,导致CPU资源利用率和系统吞吐量降低。

    二. 多道批处理系统

    1.概念
    内存中存放多道程序,当某道程序因某种原因如执行I/O操作时而不能继续运行放弃CPU时,操作系统便调度另一程序运行,这样CPU就尽量忙碌,达到提高系统效率的目的。

    2.特点

    • 多道:内存同时存放多道程序
    • 宏观上并行:进入系统的多道程序先后开始了自己的运行,但都未运行完毕
    • 微观上串行:内存中多道程序轮流占有CPU,交替执行

    3.CPU的利用情况
    在这里插入图片描述

    分析:程序A要通过操作系统的调度进行磁盘操作,B则进行磁带操作。当程序A执行I/O请求时,A放弃了CPU,操作系统接着调度B,B开始占用CPU(红宽线),此时程序A的磁盘操作也在同时进行。

    结论:A,B两道程序相互穿插运行,使CPU和外设都尽量忙碌。

    4.缺点

    • 作业处理时间长
    • 交互能力差
    • 运行过程不确定

    三.分时系统

    1.背景

    • 事务性任务(在CPU上耗用多,交互性高,快速响应)
    • 要求支持多任务/多用户/多终端服务

    2.概念
    主机以很短的时间片为单位,把CPU轮流分配给每个终端使用;直到所有作业被运行完。若某个作业在分配给它的时间片内未完成计算,则该作业暂停运行,把处理器让给其他作业使用,等待下一轮再继续使用。若终端数量不多,每个终端很快就能重新获得CPU,使得每个终端得到及时响应。

    3.特点

    • 多路调制性:多用户联机使用同一台计算机
    • 独占性:用户感觉独占计算机
    • 交互性:及时响应用户的请求

    4.缺点
    不能用于系统能对于外部信息在规定的时间(比时间片的时间还短)作出处理的情况。

    5.衍化
    分时系统具有非常重要的“跨时代”作用。随着分时系统的出现,它的衍生系列也随之而来:
    在这里插入图片描述
    6.典型
    Unix操作系统是第一个实用化的分时操作系统。

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  • 文章目录操作系统的发展导言手工操作阶段批处理阶段单道批处理系统多道批处理系统(操作系统正式诞生)分时操作系统实时操作系统其他几种操作系统总结感谢 操作系统的发展 导言 操作系统的发展阶段:手工操作阶段...

    操作系统的发展


    导言

    操作系统的发展阶段:手工操作阶段、批处理阶段(单道批处理系统,多道批处理系统(操作系统开始出现))、分时操作系统、实时操作系统。而随着操作系统的发展,网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统也出现了。
    下面将介绍每个阶段的过程以及优缺点。(各阶段的主要优点都是解决了上一阶段的主要缺点)


    手工操作阶段

    过程:用户把程序写在纸带上(其实就是在纸带上打孔),然后输入到计算机中,计算机随后会处理这个程序,把输出结果又放在纸带中(其实还是打孔),展示给用户看。
    在这里插入图片描述由于用户在纸带上编写程序的速度很慢,纸带输入输出的速度也很慢,而计算机的处理速度快,所以系统资源的利用率极低。
    主要缺点: 用户独占全机,人机速度矛盾导致系统资源利用率极低。


    批处理阶段

    单道批处理系统

    单道批处理系统引入了脱机输入/输出技术(用磁带完成),但是每次只能往内存中输入一道程序,监督程序(这是操作系统的雏形)负责控制程序的输入输出。
    过程:多个用户把程序写在纸带上,然后通过外围机录入到磁带中,监督程序会控制程序的输入和输出,每次只允许计算机内存中存在一道用户程序。
    在这里插入图片描述
    PS:最后的"…"就是完成信息向用户展示的任务。

    由于磁带录入到处理器中的速度比纸带快得多,所以单道批处理系统一定程度上缓和了人机速度矛盾,资源利用率有所提升,
    主要优点: 缓和了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升。
    主要缺点: 内存中仅能有一道用户程序运行,只有该程序运行结束后才能调入下一道程序,CPU有大量的空闲时间是在等待I/O完成,资源利用率依然很低。

    在这里要解释一下,什么叫"CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成",I/O其实就是输入/输出(Input/Output)。这句话的意思就是,程序在输入输出的时候,什么事情都不做,必须等输入输出完成,该程序才做接下来的事情。
    举个现实的例子:你去买宵夜,你和奶茶小贩说:"老板,我要一杯奶茶"后,你就在那里等,而不是去买其他的东西。
    在这里,你就是CPU,奶茶小贩就是输出设备,而你向奶茶小贩说了你的需求(这就是CPU要输出设备做的事)后,你没做其他的事情,而是站在那里等,那这个等的时间就是空闲时间,其实你可以在这个空闲时间做其他事情。

    多道批处理系统(操作系统正式诞生)

    每次往计算机内存中输入多道程序,并引入了中断技术,由操作系统负责管理这些程序的并发运行。
    过程:和单道批处理系统差不多,只不过是可以向计算机内存中调入多道程序,让他们在计算机内存中并发运行。
    主要优点:多道程序并发运行,共享计算机资源,资源利用率大幅提升,CPU和其他资源保存"忙碌"状态的时间增长。
    主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后只能等待计算机处理完成,中间不能控制自己作业的执行)

    这里举个例子说说:为什么多道批处理系统能使资源利用率大幅提升呢?
    假如现在计算机中有3个设备,输入设备、CPU、输出设备,他们分别负责输入、计算、输出。
    那现在有3个作业,每个作业需要1s输入,1s计算,1s输出。
    假如采用单道批处理系统。那过程将如下图。
    在这里插入图片描述
    可以看出,
    输入设备的工作区间为[0,1],[3,4],[6,7]。
    CPU的工作区间为[1,2],[4,5],[7,8]。
    输出设备的工作区间为[2,3],[5,6],[8,9]。
    这些设备的工作区间都没有重叠。
    整个过程用了9s。

    假如采用多道批处理系统。那过程将如下图。
    在这里插入图片描述
    可以看出,
    输入设备的工作区间为[0,3]。
    CPU的工作区间为[1,4]。
    输出设备的工作区间为[2,5]。
    这些设备的工作区间有重叠,而且在[2,3]时,输入设备,CPU,输出设备都在工作。
    整个过程用了5s。

    从对比可以看出,多道批处理系统能使资源利用率大幅提升,也提升了工作效率。


    分时操作系统

    概述:计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。
    (时间片就是一个很短的时间,比如50ms)
    图示如下:
    在这里插入图片描述主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题,允许多个用户使用一台电脑,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
    主要缺点:不能优先处理一些紧急任务,操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每一个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性(有时候我们需要某个作业被马上执行,比如导弹发射,如果不能实时操作,必将产生灾难性的后果)


    实时操作系统

    为了解决分时操作系统不区分任务的紧急性的问题,实时操作系统诞生了。
    在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后能及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件, 实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。
    主要优点: 能优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需要时间片排队。
    当然,实时操作系统也分为2类:

    1. 硬实时系统(必须在绝对严格的规定时间内完成处理,如导弹控制系统、自动驾驶系统)
    2. 软实时系统(能偶尔违反时间规定,如12306火车订票系统,有时候票的余量是不准确的,但是也不妨碍系统的正常运行)

    其他几种操作系统

    • 网络操作系统:网络操作系统伴随着计算机网络的发展而诞生,能把网络中的各个计算机有机地结合起来,实现数据传输等功能,实现网络中各种资源的共享(如文件共享)以及各台计算机之间的通信。

    • 分布式操作系统: 主要特点是分布性和并行性,系统之中的各台计算机地位相同,任何工作都可以分布在这些计算机上,他们并行、协同完成这个任务。

    • 个人操作系统: 如 Windows XP,windows 7,10,macOS,方便个人使用。


    总结

    在这里插入图片描述


    感谢

    以上内容大部分来自王道操作系统系列视频教学。

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    开学好几天了,今天讲的是操作系统中的作业调度系统初窥。

    我用的教材是《操作系统:精髓与设计原理》

    从简单单道批处理系统到多道批处理系统。后者为了更充分地利用CPU和I/O接口设备而诞生的系统。

     

    多道程序设计的概念

          多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。 多道批处理系统中,用户提交的作业都存放在外存中,并形成队列,这个队列称为"后备队列;然后作业调度程序按照作业调度算法将若干作业调入内存,CPU同时执行,以达到CPU和资源的共享,提高资源的利用率和系统的吞吐量的目的。

     

    多道批处理系统的特征

          多道性。在内存中可同时驻留多道程序,并允许它们并发执行,从而有效地提高了资源的利用率和系统的吞吐量。 
          无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间没有严格的对应关系。 
          调度性。作业提交给系统开始直到完成,需要经过作业调度和进程调度。

     

    多道批处理系统的优缺点

          优点:资源利用率高,由于内存中装入了多道程序,使资源一直处于使用状态,从而使资源得到了充分的利用;系统吞吐量大,由于CPU和其他资源一直保持"使用"状态,仅当作业完成或者其他原因时才会进行切换,所以系统开销比较小,吞吐量比较大。从下面的两个例子可以看出系统的优点。 
          缺点:平均运转周期较长,作业的周转时间是指从作业进入系统开始到完成并推出系统经历的时间,由于作业在外存中要形成"后备队列",进而内存有优先顺序,因而作业可能很长时间不能运行,所以周期较长;无交互能力,当作业提交给系统后,用户不能再与作业交互,无法修改或者调试。

     

    作业:在一个多道批处理系统中有4个作业,名为A,B,C,D

          A在执行1秒后,请求I/O接口,3秒后结束,A共需5秒。

      B在执行1秒后,请求I/O接口,2秒后结束,B共需4秒。

      C共需5秒。

      D在执行2秒后,请求I/O接口,2秒后结束,D共需7秒。

       按照ABCDABCD……的顺序执行 ,画出时间轴图。

    转载于:https://www.cnblogs.com/shihty/archive/2012/02/23/2364730.html

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