管理程序阶段多道程序设计与操作系统的形成
管理程序阶段多道程序设计与操作系统的形成
早期批处理系统借助于作业控制语言变革了计算机的手工操作方式。用户不再通
6
内存
过开关和按钮来控制计算机执行，而是通过脱机方式使用计算机，通过作业控制卡来
描述对作业的加工控制步骤，并把作业控制卡连同程序、数据一起提交给计算机的操
作员，操作员收集到一批作业后一起把它们放到卡片机上输入计算机。计算机上则运
行一个驻留在内存中的执行程序，以对作业进行自动控制和成批处理，自动进行作业
转换以减少系统空闲和手工操作时间，其工作流程如下：执行程序将一批作业从纸带
或卡片机输入到磁带上，每当一批作业输入完成后，执行程序自动把磁带上的第一个
作业装入内存，并把控制权交给作业。当该作业执行完成后，执行程序收回控制权并
再调入磁带上的第二个作业到内存执行。计算机在执行程序的控制下就这样连续地一
个作业一个作业执行，直至磁带上的作业全部做完。这种系统能实现作业到作业的自
动转换，缩短作业的准备和建立时间，减少人工操作和干预，让计算机尽可能地连续
运转。
早期批处理系统中，一开始作业的输入和输出均是联机的，联机 I/O的缺点是速
度慢，I/O设备和 CPU仍然串行工作，CPU时间浪费相当大，为此，在批处理中引进
脱机 I/O技术。除主机外，另设一台辅机，该机仅与 I/O设备打交道，不与主机连接。
输入设备上的作业通过辅机输到磁带上，这叫脱机输入；主机负责从磁带上把作业读
入内存执行，作业完成后，主机负责把结果输出到磁带上，这叫脱机输出；然后，由
辅机把磁带上的结果信息在打印机上打印输出。这样一来， I/O工作脱离了主机，辅机
和主机可以并行工作，大大加快了程序的处理和数据的输入及输出，这称作脱机 I/O
技术，这比早期联机处理系统提高了处理能力。
中 断 处 理
设 备 驱 动
作 业 定 序
命令和 JCL语言解释器
用
户
程
序
区
图 1-2管理程序的内存组织
为了发挥批处理系统的性能，缩短作业的准备和建立时间，驻留在内存工作的执
行程序的功能得到了很大的扩充，进化到管理程序（resident monitor）。FMS（FORTRAN
Monitor System）和 IBSYS（IBM 7094 Monitor System）是这类系统的典型实例。管理
程序的内存组织如图 1-2所示，它的主要功能小结如下：
..自动控制和处理作业流：管理程序把控制传送给一个作业，当作业运行结束
时，它又收回控制权，继续调度下一个作业执行，自动控制和处理作业流，
减少了作业的准备和建立时间。作业流的自动控制和处理依靠作业控制语言
（Job Control Language），因而，促进了作业控制语言的发展。作业控制语
言是由一些描述作业控制过程的语句组成的，每个语句附有一行作业或作业
步信息编码，并以穿孔卡的形式提供。例如，$JOB卡表示启动一个新作业；
$FTN卡表示调用 FORTRAN编译系统；$ASM卡表示调用汇编程序；$ LOAD
卡表示调用装配程序；$ DATA卡指定数据；$RUN卡执行用户程序；$ END卡
表示一个作业结束。管理程序通过输入、解释并执行嵌入用户作业的作业控
制卡规定的功能，就能自动地处理用户作业流。每个作业完成后，管理程序
7
编程知识
又自动地从输入机上读取下一个作业运行，直到整批作业处理结束。
..提供一套操作命令：操作员通过打字机打入命令，管理程序识别并执行命令，
这样不仅速度快，操作员还可进行一些复杂的控制。输出信息也可由打字机
输出，代替了早期氖灯显示，易于理解。这种交互方式不仅提高了效率，也
便于使用。
..提供设备驱动和 I/O控制功能：系统提供标准 I/O程序，用户通过管理程序获
得和使用 I/O设备，减轻了用户驱动物理设备的负担。管理程序还能处理某些
设备特殊和设备故障，改进了设备的可靠性和可用性。
..提供库程序和程序装配功能：库程序包括：汇编程序、FORTRAN语言编译
程序、标准 I/O程序、标准子程序等。通常，用户程序必须调用库程序才能执
行下去，装配工作由管理程序完成。所有程序都按相对地址编址，管理程序
把相应库程序和用户程序进行装配，并转换成绝对地址形式的目标程序，以
便执行。
..提供简单的文件管理功能：用户通过输入设备输入程序和数据，为了反复使
用，用户希望能把这些信息保存起来，以便随时使用，这就产生了文件系统。
从此，用户可按文件名字，而不是信息的物理地址进行存取，方便灵活，安
全可靠。
1.2.3 多道程序设计与操作系统的形成
1、多道程序设计
在早期的单道批处理系统中，内存中仅有单个作业在运行，致使系统中仍有许多
资源空闲，设备利用率低，系统性能较差。如图 1-3所示，当 CPU工作时，外部设备
不能工作；而外部设备工作时，CPU必须等待。
78 130 150 228 280 300 378 430 450
时 间
输入机
处理器
磁带机
图 1-3单道算题运行时处理器的使用效
20世纪 60年代初，有两项技术取得了突破：中断和通道，这两种技术结合起来为
实现 CPU和 I/O设备并行工作提供了基础，此时，多道程序的概念才变成了现实。
多道程序设计（ multiprogramming）是指允许多个程序 (作业)同时进入一个计算
机系统的内存储器并启动进行交替计算的方法。也就是说，计算机内存中同时存放了
多道(二个以上相互独立的)程序，它们均处于开始和结束点之间。从宏观上看是并行的，
多道程序都处于运行过程中，但都未运行结束；从微观上看是串行的，各道程序轮流
占用 CPU，交替地执行。引入多道程序设计技术的根本目的是提高 CPU的利用率，充
分发挥计算机系统部件的并行性，现代计算机系统都采用了多道程序设计技术。
下面来分析多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率的原理。从第二代计
算机开始，计算机系统具有处理器和外围设备并行工作的能力，这使得计算机的效率
有所提高。但是，仅仅这样做，计算机的效率仍不会很高。例如，计算某个数据处理
问题，要求从输入机（速度为 6400字符／秒）输入 500个字符，经处理（费时 52毫
秒）后，将结果（假定为 2000个字符）存到磁带上（磁带机速度为 10万字符／秒），
然后，再读 500个字符处理，直至所有的输入数据全部处理完毕。如果处理器不具有
和外围设备并行工作的能力，那么，上述计算过程如图 1-3所示，不难看出在这个计
8
算过程中，处理器的利用率为：
52/（78十 52十20）≈ 35%
分析上面的例子，可以看出效率不高的原因，当输入机输入 500个字符后，处理
器只花了 52毫秒就处理完了，而这时第二批输入数据还要再等 98毫秒时间才能输入
完毕，在此期间 CPU一直空闲着。
这个例子说明单道程序工作时，计算机系统的各部件的利用率没有得到充分发挥。
为了提高效率，考虑让计算机同时接受两道算题，当第一道程序在等待外围设备的时
候，让第二道程序运行，以降低 CPU空闲等待时间，那么，处理器的利用率显然可以
有所提高。例如，计算机在接受上述算题时还接受了另一道算题：从另一台磁带机上
输入 2000个字符，经 42毫秒的处理后，从行式打印机（速度为 1350行／分）上输出
两行。
78 130 150 228 280 300 378 430 450
时 间
输入机
处理器
磁带机
磁带机
打印机
P1 P1P2P2
图 1-4两道算题运行时处理器的使用效率
当这两道算题同时进入内存计算时，计算过程如图 1-4所示。其中，P1表示程序
甲占用 CPU对输入机输入的 500个字符进行处理，由于 52毫秒处理便结束，下次处
理要等待 98毫秒之后，故这个时间段内 CPU是空闲的。系统调度程序乙工作，它从
磁带机上输入 2000个字符后，P2表示对这批数据进行处理。相应的 I/O设备和 CPU
的操作都是并行的。不难算出，此时处理器的利用率为：
（52+42）/150 ≈ 63％
由此可以看出，让几道程序同时进入内存计算比一道道串行地进行计算时的 CPU
效率要高。因为，当某道程序因故不能继续运行下去时，管理程序便把 CPU分给另外
一道程序执行，这样可使 CPU和 I/O设备尽量都处于忙碌状态，这就是要采用多道程
序设计方法的主要原因。具有处理器和外围设备并行工作能力的计算机采用多道程序
设计技术后，可以提高处理器和 I/O设备的并行性，从而，也就能提高整个系统的效
率，即增加单位时间内算题的数量。例如，有甲、乙两道程序，如果让一道程序独占
计算机单道运行时每道程序要花去一个小时，若此时处理器的利用率为 30％，粗略地
说，甲（或乙）程序执行时所需要的处理器时间为：
1小时×30％＝18分钟
假定甲、乙两道程序按多道程序设计方法同时运行，处理器的利用率达 50％，那
么，要提供 36分钟的处理器时间，大约要运行 72分钟。所以，粗略地估计，采用多
道程序设计技术时只要大约 72分钟就可以将两道程序计算完毕。然而，由于操作系统
调度要花费处理器时间，所以，实际花费的时间可能还要长些，例如，共要花 80分钟。
而单道运行时，甲、乙依次执行完需 120分钟。因而；采用多道程序设计方法后可以
提高效率：
(120—80)／120≈33％
但是从甲、乙两道程序来看，如果单道运行，它花 60分钟就可以得到结果，而多
道运行时，却要花 80分钟才有结果，延长了 20分钟，即延长了 33％的时间。所以，
9
采用多道程序设计方法后，提高了系统效率，即增长了单位时间的算题量，但是，对
于每一道程序来说，却延长了计算时间。所以，多道程序设计技术提高资源利用率和
系统吞吐率是以牺牲用户的作业周转时间为代价的。对于一些实时响应的计算问题，
延长
10％的计算时间可能都是难以接受的。因此，这个问题在多道程序设计中必须引
起注意。
在多道程序设计中，还有一个值得注意的问题是道数的多少。从表面上看，似乎
道数越多越能提高效率，但是道数的多少绝不是任意的，它往往由系统的资源以及用
户的要求而定。例如，如果上述甲、乙两道程序都要用行式打印机，而系统只有一台
行式打印机，就算它们被同时接受进入计算机内存运行，未必能提高效率。因为，可
能程序甲计算了一段时间后要等程序乙不再使用行式打印机时，即程序乙结束后，才
能继续运行。此外，内存储器的容量和用户的响应时间等因素也影响多道程序道数的
多寡。可以采用概率方法来算出
CPU的利用率，假如一道程序等待
I/O操作的时间占
其运行时间的比例为
p，当内存中有
n道程序时，则所有
n道程序都等待
I/O的概率是
pn，亦即这时
CPU是空闲的。那么，
CPU的利用率=1-pn
其中，n称多道程序的道数或度数(degree of multiprogramming)，可见
CPU的利用
率是
n的函数。如果进程平均花费
80%的时间等待
I/O操作，为了使
CPU时间的浪费
低于
10%，至少要有
10道程序在内存中多道运行。事实上，一个用户程序等待从终端
输入信息或等待磁盘
I/O，等待时间超过
80%也是常有的事。上述
CPU利用率计算模
型很粗略，但却是有效的。假设计算机有
1MB内存，操作系统占用
200KB，其余空间
允许
4道用户程序共享，每个占用
200KB。若它们
80%时间用于
I/O等待，则
CPU的
利用率(忽略操作系统开销时)=1-(0.8)4=59%。当增加
1MB内存后，多道程序可从
4道
增加到
9道，因而，CPU的利用率=1-(0.8)9=87%，也就是说第二个
1MB内存提高了
47%的系统吞吐量。增加第三个
1MB内存只将
CPU的利用率从
87%提高到
96%，吞
吐量仅提高了
10%。
下面小结一下操作系统中引入多道程序设计的好处：一是提高了
CPU的利用率，
二是提高了内存和
I/O设备的利用率，三是改进了系统的吞吐率，四是充分发挥了系
统的并行性。其主要缺点是延长了作业周转时间。
注意，多道程序设计系统与多重处理系统（
multiprocessing system）有差别，后
者是指配置了多个物理
CPU，从而，能真正同时执行多道程序的计算机系统。当然要
有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术；反过来，多道程序设计不一
定要求有多重处理系统支持。多重处理系统的硬件结构可以多种多样，如共享内存的
多
CPU结构、网络连接的独立计算机结构。虽然多重处理系统增加了硬件，但却换来
了提高系统吞吐量、可靠性、计算能力和并行处理能力的好处。
实现多道程序设计必须妥善地解决三个问题：存储保护与程序浮动；处理器的管
理和分配；系统资源的管理和调度。
在多道程序设计的环境中，内存储器为几道程序所共享，因此，硬件必须提供必
要的手段，使得在内存储器中的各道程序只能访问它自己的区域，以避免相互干扰。
特别是当一道程序发生错误时，不致影响其他的程序，更不能影响系统程序，这就是
存储保护。同时，由于每道程序不是独占全机，这样，不能事先规定它运行时将放在
哪个区域，所以，程序员在编制程序时无法知道程序在内存储器中的确切地址。甚至，
在运行过程中，一个程序也可能改变其运行区域，所有这些，都要求一个程序或程序
某一部分能随机地从某个内存储器区域移动到另一个区域，而不影响其执行，这就是
程序浮动，或称地址重定位。此外，多道程序共存于内存，会引起内存容量不足，因
此，内存扩充也成为操作系统必须要解决好的问题。
在多道程序设计系统里，如果系统仅配置一个物理处理器，那么，多个程序必须
轮流占有处理器，这涉及到处理器调度问题。为了说明一个程序是否占有或可以占有
处理器，可以把程序在执行中的状态分成三种。当一个程序正占有处理器运行时，就
10
说它是处于运行状态（运行态）；当一个程序在等待某个事件发生时，就说它处于等
待状态（等待态）；当一个程序等待的条件已满足可以运行而未占用处理器时，则说
它处于就绪状态（就绪态），所以，一道程序在执行中总是处于运行、就绪、等待三
种状态之一。一道程序在执行过程中，它的程序状态是变化的，从运行态到等待态的
转换是在发生了某种事件时产生的。这些事件可能是由于启动外围设备输入输出而使
程序要等待输入输出结束后才能继续下去；也可能是在运行中发生了某种故障使程序
不能继续运行下去等等。从等待态转换成就绪态是在等待的某个事件完成时产生的。
例如，程序甲处于等待外围设备传输完毕的等待状态，当传输结束时，程序甲就从等
待态转为就绪态。从运行态也能转变为就绪态。例如，当程序乙运行时发生了设备传
输结束事件，而当设备传输结束后，使得程序甲从等待态转变为就绪态；假定程序甲
的优先级高于程序乙，因此，让程序甲占有处理器运行，这样，程序乙就从运行态转
为就绪态。
在多道程序设计系统里，系统的资源为几道程序所共享，上面谈到的处理器就是
一例。此外，如内存储器、外围设备以及一些信息资源等也需要按一定策略去分配和
调度，要解决好多道程序共享系统硬软件资源的竞争与协调。有关调度算法与实现及
解决程序之间资源竞争与协调的机制将在以后各章叙述。
2、操作系统的形成
第三代计算机的性能有了更大提高，机器速度更快，内外存容量增大，
I/O设备数
量和种类增多，为软件的发展提供了有力支持。如何更好地发挥硬件功效，如何更好
地满足各种应用的需要，这些都迫切要求扩充管理程序的功能。
中断技术和通道技术的出现使得硬部件具有了较强的并行工作能力，从理论上来
说，实现多道程序系统已无问题。但是，从半自动的管理程序方式过渡到能够自动控
制程序执行的操作系统方式，对辅助存储器性能的要求增高。这个阶段虽然有个别的
磁带操作系统出现，但操作系统的真正形成还期待着大容量高速辅助存储器的出现。
大约到六十年代中期以后，随着磁盘的问世，相继出现了多道批处理操作系统和分时
操作系统、实时操作系统，到这个时候标志着操作系统正式形成。
计算机配置操作系统后，其资源管理水平和操作自动化程度有了进一步提高，具
体表现在：
..操作系统实现了计算机操作过程的自动化。批处理方式更为完善和方便，作
业控制语言有了进一步发展，为优化调度和管理控制提供了新手段。
..资源管理水平有了提高，实现了外围设备的联机同时操作（即
SPOOLING），
进一步提高了计算机资源的利用率。
..提供虚存管理功能，由于多个用户作业同时在内存中运行，在硬件设施的支
持下，操作系统为多个用户作业提供了存储分配、共享、保护和扩充的功能，
导致操作系统步入实用化。
..支持分时操作，多个用户通过终端可以同时联机地与一个计算机系统交互。
..文件管理功能有改进，数据库系统开始出现。
..多道程序设计趋于完善，采用复杂的调度算法，充分利用各类资源，最大限
度地提高计算机系统效率。
参与评论
- 相关内容
- 最近更新
- ·操作系统的主要特性
- ·计算机系统的层次结构-操作系统的..
- ·杀RootKit.win32.mie.a,RootKit...
- ·解决内存不能为read的知识
- ·电脑蓝屏怎么办看蓝屏代码找出电..
- ·系统发生崩溃或不正常关机
- ·Scandisk.ini
- ·参数必须在命令行方式下运行
- ·Windows Me 的PCHealth还原功能去..
- ·编辑系统配置文件全新安装的方法..
添加到百度搜藏