操作系统原理：批处理的执行过程及脱机I/O技术

在计算机发展的早期阶段，系统是供用户独占使用的，即在其使用期间，用户可以建立、运行他的作业，并最后做结尾处理。由于当时软件处于初级阶段，用于管理的软件还没有产生，因此，所有的运行管理和具体操作都由用户自己承担。

引入批量监督程序是为了实现作业建立和作业过渡的自动化。监督程序是一个常驻主存很小的核心代码。每一种语言的翻译程序（汇编语言或某种高级语言的编译程序）或实用程序（如连接程序）都作为监督程序的子例程。

1.联机批处理

监督程序的工作负荷是以作业流形式提供的。每个用户需要计算机解决的计算工作均组织成一个作业。每个作业有一个和正文分开的作业说明书，它提供了用户标识、用户想使用的编译程序以及所需要的系统资源等基本信息。每个作业还包含一个程序和一些原始数据，最后是一个作业的终止信息。终止信息给监督程序一个信号，表示此作业已经结束，应为下一个用户作业做好服务准备。

各用户把作业交给机房，由操作员把一批作业装到输入设备上（如果输入设备是纸带输入机，则该批作业在一盘纸带上；若输入设备是读卡机，则该批作业在一叠卡片上。），然后由监督程序控制送到辅存（早期是磁带）。为了执行一个作业，批处理监督程序将解释这个作业的说明记录。若系统资源能满足其要求，则将该作业调入主存，并从磁带上输入所需要的编译程序。编译程序将用户源程序翻译成目标代码，然后由连接装配程序把编译后的目标代码及其所需的子程序装配成一个可执行的程序，接着启动执行。计算完成后输出该作业的计算结果。一个作业处理完毕后，监督程序又可以自动地调入下一个作业进行处理。重复上述过程，直到该批作业全部处理完毕。

2.脱机批处理

早期的联机批处理系统实现了作业的自动定序、自动过渡，同手工操作相比，计算机的使用效率提高了。但在这种批处理系统中，作业的I/O是联机的，也就是说作业从输入机到磁带，由磁带调入主存，以至结果的输出打印都是由中央处理机直接控制的。在这种联机操作方式下，随着处理机速度的不断提高，处理机和I/O设备之间的速度差距形成了一对矛盾。因为在进行输入或输出时，CPU是空闲的，使得高速的CPU要等待低速的I/O设备的工作，从而不能发挥它应有的效率。为了克服这一缺点，在批处理系统中引入了脱机I/O技术而形成了脱机批处理系统。

脱机批处理系统由主机和卫星机组成，如图1-1所示。卫星机又称为外围计算机，它不与主机直接连接，只与外部设备打交道。作业通过卫星机输入磁带上，当主机需要输入作业时，就把输入带同主机连上。主机从输入带上把作业调入主存，并予以执行。作业完成后，主机负责把结果记录到输出带上，再由卫星机负责把输出带上的信息打印输出。这样，主机摆脱了低速的I/O工作，可以较充分地发挥它的高速计算能力。同时，由于主机和卫星机可以并行操作，因此和早期联机批处理系统相比，脱机批处理系统较大程度地提高了系统的处理能力。

图1-1　脱机批处理系统(www.xing528.com)

批处理系统是在解决人机矛盾、中央处理机高速度和I/O设备的低速度这一对矛盾的过程中发展起来的。它的出现改善了CPU和外设的使用情况，从而使整个计算机系统的处理能力得以提高。

3.执行系统

批处理监督程序实现了作业的自动定序、自动过渡，但仍存在一些缺点，如磁带需要人工拆卸，操作员需要监督机器的状态。一种情况：由于系统没有任何保护自己的措施，因此，当目标程序执行一条停机的非法指令时，机器就会错误地停止运行。此时，只有操作员进行干预，即在控制台上按启动按钮后，程序才会重新启动运行。另一种情况：如果一个程序进入死循环，系统就会踏步不前，只有在操作员提出终止该作业的请求，删除它并重新启动后，系统才能恢复正常运行。更严重的是无法防止用户程序破坏监督程序和系统程序，于是系统的保护问题就提出来了。

20世纪60年代初期，硬件获得了两方面的进展：一是通道的引入，二是中断技术的出现。这两项重大成果导致操作系统进入执行系统阶段。

通道是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外设的工作，负责外部设备与主存之间的信息传输。它一旦被启动，就能独立于CPU运行，这样就可使CPU和通道并行操作，而且CPU和各种外部设备也能并行操作。所谓中断是指当主机接到某种信号（如I/O设备完成信号）时，马上停止原来的工作，转去处理这一事件，当事件处理完毕，主机又回到原来的工作点继续工作。

借助于通道与中断技术，I/O工作可以在主机控制之下完成。这时，原有的监督程序不仅要负责调度作业自动地运行，而且还要提供I/O控制功能（即用户不能直接使用启动外设的指令，其I/O请求必须通过系统去执行），它增强了原有的功能。这个优化后的监督程序常驻主存，称为执行系统。

执行系统比脱机处理前进了一步，它节省了卫星机，降低了成本，而且同样能支持主机和通道、主机和外设的并行操作。在执行系统中用户程序的I/O工作是委托给系统实现的，由系统检查其命令的合法性，这就可以避免由于不合法的I/O命令造成对系统的威胁，从而提高了系统的安全性。

批处理系统和执行系统的普及，发展了标准文件管理系统和外部设备的自动调节控制功能。这一时期，程序库变得更加复杂和庞大，随机访问设备（如磁盘、磁鼓）已开始代替磁带而作为辅助存储器，高级语言也发展得比较成熟和多样化。许多成功的批处理操作系统在20世纪50年代末到20世纪60年代初期出现，其中IBM 7090/7094计算机配置的IBM OS是最有影响的。