操作系統(tǒng)界面

1、第第2章章 操作系統(tǒng)的界面操作系統(tǒng)的界面 2.1 用戶(hù)工作環(huán)境2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口2.3 操作系統(tǒng)提供的服務(wù)2.1 用戶(hù)工作環(huán)境用戶(hù)工作環(huán)境n用戶(hù)環(huán)境指的是用戶(hù)以自己的賬號(hào)和密碼登錄到系統(tǒng)后所見(jiàn)到的整體操作環(huán)境，這個(gè)環(huán)境應(yīng)該由操作系統(tǒng)和用戶(hù)自身設(shè)定綜合而成。 操作系統(tǒng)會(huì)在用戶(hù)賬號(hào)下關(guān)聯(lián)一個(gè)操作偏好設(shè)置的記錄，當(dāng)某用戶(hù)以自身賬號(hào)和相應(yīng)密碼登錄系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)將自動(dòng)按照該記錄設(shè)置默認(rèn)的用戶(hù)操作環(huán)境。對(duì)普通用戶(hù)而言，圖形化的環(huán)境更容易上手和操作對(duì)特殊應(yīng)用領(lǐng)域的用戶(hù)而言，使用命令行形式能獲得更好的響應(yīng)效率2.1.1 用戶(hù)環(huán)境用戶(hù)環(huán)境n在設(shè)定用戶(hù)環(huán)境前，通常要求系統(tǒng)先啟動(dòng)，即先將所有用戶(hù)的公共服務(wù)

2、和基本的系統(tǒng)操作環(huán)境設(shè)置好，然后再根據(jù)各用戶(hù)的個(gè)人設(shè)定進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。 以linux為例，看到如下圖像表示系統(tǒng)正在開(kāi)機(jī)自檢并配置基本操作環(huán)境。2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n操作系統(tǒng)需要完成生成與引導(dǎo)兩個(gè)步驟后才能為用戶(hù)提供正確的服務(wù)，確保用戶(hù)任務(wù)的順利完成。系統(tǒng)生成(System Generation，SYSGEN)：在為用戶(hù)建立工作環(huán)境前，需要先檢測(cè)硬件情況，并在特定硬件之上配置和構(gòu)造操作系統(tǒng)。系統(tǒng)引導(dǎo)指的是將操作系統(tǒng)內(nèi)核裝入內(nèi)存并啟動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)程。 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n系統(tǒng)生成當(dāng)裸機(jī)被啟動(dòng)時(shí)，為了生成正確的操作系統(tǒng)，需要根據(jù)硬件平臺(tái)的狀況進(jìn)行一系列重

3、要的安裝工作，為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的程序來(lái)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)生成。l系統(tǒng)生成程序從指定文件中讀取硬件系統(tǒng)的配置信息，或從操作人員處獲取這些信息，甚至在某些系統(tǒng)采用硬件直接檢測(cè)的信息獲取方式。l配置信息用來(lái)幫助系統(tǒng)記錄硬件配置信息，以便能根據(jù)硬件選擇合適的操作系統(tǒng)模塊組。 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n系統(tǒng)生成時(shí)參考的重要配置信息CPU類(lèi)型內(nèi)存大小 當(dāng)前關(guān)聯(lián)設(shè)備的類(lèi)型和數(shù)量 操作系統(tǒng)的重要功能選項(xiàng)和參數(shù) 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n系統(tǒng)生成方法表驅(qū)動(dòng)法：所有的系統(tǒng)代碼(尤其是實(shí)現(xiàn)核心功能的內(nèi)核代碼)以文件形式出現(xiàn)在外存的指定位置。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)自身當(dāng)前運(yùn)行需要

4、選擇相應(yīng)的功能模塊裝入內(nèi)存。l這種方法的好處是能以最小的內(nèi)存空間保證最基本的系統(tǒng)功能運(yùn)作，同時(shí)也加速了啟動(dòng)速度。 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n系統(tǒng)生成方法其他方法：為了實(shí)現(xiàn)專(zhuān)有硬件平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)性、快速性等特殊性能的更高要求，可根據(jù)用戶(hù)的特定需求定制操作系統(tǒng)，并將其完全編譯，形成專(zhuān)用系統(tǒng)。l此類(lèi)系統(tǒng)將一些與用戶(hù)需求無(wú)關(guān)的功能直接裁掉，以犧牲全面性能的方式換取更快速響應(yīng)。 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n系統(tǒng)引導(dǎo) 系統(tǒng)引導(dǎo)由位于系統(tǒng)ROM中的啟動(dòng)引導(dǎo)程序完成，整個(gè)系統(tǒng)引導(dǎo)過(guò)程包括定位內(nèi)核代碼在外存的具體位置、按照要求正確裝入內(nèi)核至內(nèi)存并最終使內(nèi)核運(yùn)行起來(lái)。l初始引導(dǎo)l

5、內(nèi)核初始化l全系統(tǒng)初始化2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n 初始引導(dǎo) 計(jì)算機(jī)BIOS完成，包括中斷服務(wù)程序、系統(tǒng)設(shè)置程序、上電自檢(Power On Self Test ，POST)和系統(tǒng)啟動(dòng)自舉程序等l中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)軟硬件間的一個(gè)可編程接口，用于完成硬件初始化l系統(tǒng)設(shè)置程序用來(lái)設(shè)置CMOS RAM中的各項(xiàng)參數(shù)l上電自檢POST在通電后自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)中各關(guān)鍵和主要外設(shè)進(jìn)行檢查，一旦在自檢中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就通過(guò)鳴笛或提示信息警告用戶(hù) l系統(tǒng)啟動(dòng)自舉程序按照系統(tǒng)CMOS設(shè)置中保存的啟動(dòng)順序搜索有效的硬件驅(qū)動(dòng)器，讀入操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，接著將系統(tǒng)控制權(quán)交給引導(dǎo)程序，并由引導(dǎo)程序裝入內(nèi)核代碼，以便

6、完成系統(tǒng)的順序啟動(dòng) 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n內(nèi)核初始化引導(dǎo)程序?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)核裝入內(nèi)存后就將CPU控制權(quán)交給內(nèi)核內(nèi)核執(zhí)行對(duì)硬件、電路邏輯等的初始化操作，以及對(duì)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化 2.1.2 系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)系統(tǒng)的生成與引導(dǎo)n全系統(tǒng)初始化 該步驟的主要任務(wù)是啟動(dòng)用戶(hù)接口，使系統(tǒng)處于等待命令輸入狀態(tài)l此時(shí)操作系統(tǒng)做的主要工作是為用戶(hù)創(chuàng)建基本工作環(huán)境，接收、解釋和執(zhí)行用戶(hù)程序與指令。l全系統(tǒng)初始化完成后，各用戶(hù)看到的接口表現(xiàn)會(huì)根據(jù)用戶(hù)自身設(shè)定顯示 Linux用戶(hù)命令行登錄界面Linux用戶(hù)圖形登錄界面2.1.3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)nLinux的啟動(dòng)過(guò)程需

7、要多個(gè)環(huán)節(jié)的配合，首先需要由BIOS加載操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，由其加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)核裝入時(shí)需要先進(jìn)行代碼的解壓縮，然后才能開(kāi)始初始化過(guò)程，初始化過(guò)程完成后陸續(xù)生成各終端進(jìn)程，以便為用戶(hù)提供所需系統(tǒng)服務(wù)。BIOS初始化 裝載啟動(dòng)引導(dǎo)程序 內(nèi)核初始化 啟動(dòng)系統(tǒng) 2.1.3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)nBIOS初始化 硬件配置檢測(cè)：檢查并獲取外設(shè)數(shù)量、類(lèi)型、工作方式等重要的管控信息 硬件初始化：可避免硬件設(shè)備操作不會(huì)造成硬件沖突，同時(shí)顯示系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備列表裝入引導(dǎo)程序：根據(jù)用戶(hù)預(yù)定義次序依次訪(fǎng)問(wèn)軟盤(pán)、硬盤(pán)和CD-ROM的第一個(gè)扇區(qū)，并將搜索過(guò)程中遇到的第一個(gè)引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存

8、轉(zhuǎn)向引導(dǎo)程序：引導(dǎo)程序裝載完成后，復(fù)制主引導(dǎo)扇區(qū)到內(nèi)存起始位置為0 x7C000處，并將此地址存放在指令指針寄存器里，此時(shí)下一條要執(zhí)行的就是該寄存器所指向單元處的指令，即系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)程序的第一條指令2.1.3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)n裝載啟動(dòng)引導(dǎo)程序 Linux中當(dāng)前最流行的啟動(dòng)引導(dǎo)程序?yàn)镚RUBlGRUB占用空間較大，無(wú)法一次性全部放入MBR，因此在BIOS初始化時(shí)裝入的只是最初的部分內(nèi)容（stage 1）lStage1的工作是將GRUB的剩余功能代碼(Stage2)裝入內(nèi)存， Stage2將匯編語(yǔ)言環(huán)境轉(zhuǎn)化為C語(yǔ)言環(huán)境，接著顯示一個(gè)界面讓用戶(hù)選擇想要啟動(dòng)的操作系統(tǒng)l

9、用戶(hù)選擇了要啟動(dòng)的系統(tǒng)后，相應(yīng)內(nèi)核將被裝入內(nèi)存Red Hat Enterprise Linux 5 的啟動(dòng)菜單 2.1.3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)n內(nèi)核初始化（ Setup.S程序）首先從BIOS中獲取有關(guān)內(nèi)存、磁盤(pán)以及其它設(shè)備的重要參數(shù)等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)放到內(nèi)存的特定空間對(duì)讀入的內(nèi)核信息進(jìn)行檢測(cè)檢測(cè)并配置內(nèi)存、鍵盤(pán)、磁盤(pán)等各種設(shè)備，設(shè)置中斷描述符表、全局描述符表等表格以及中斷向量等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)startup_32()函數(shù)裝入各數(shù)據(jù)段寄存器、初始化頁(yè)表、建立0號(hào)進(jìn)程的內(nèi)核堆棧，重新設(shè)置中斷描述符表、全局描述符表，拷貝系統(tǒng)參數(shù)啟動(dòng)init()函數(shù)(1號(hào)進(jìn)程)。 2.1.

10、3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)n啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程由init()函數(shù)完成，因此它又被稱(chēng)為初始化進(jìn)程，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并初始化其它所有的新進(jìn)程 工作過(guò)程l讀取設(shè)置文件/etc/inittabl執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本設(shè)置、掛載根文件系統(tǒng)和其它文件系統(tǒng)l確定啟動(dòng)后進(jìn)入的運(yùn)行級(jí)別l順序啟動(dòng)并初始化系統(tǒng)重要服務(wù)工作l啟動(dòng)虛擬終端，并在運(yùn)行級(jí)別5上運(yùn)行X-windowLinux的圖形界面服務(wù)軟件2.1.3 實(shí)例分析：實(shí)例分析：Linux系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)nLinux啟動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)CPU控制權(quán)的傳遞過(guò)程 2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口n操作系統(tǒng)是用戶(hù)程序執(zhí)行的平臺(tái)

11、，為用戶(hù)進(jìn)程提供系統(tǒng)服務(wù)n操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性、重要性要求用戶(hù)不能隨意直接訪(fǎng)問(wèn)和調(diào)用系統(tǒng)功能模塊在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系中，用戶(hù)使用系統(tǒng)服務(wù)必須通過(guò)規(guī)定好的接口2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口n操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供的接口有圖形接口、命令接口和程序接口幾種形式2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口n命令接口使用方法：在終端上輸入命令，指定要獲取的系統(tǒng)服務(wù)名稱(chēng)、具體服務(wù)內(nèi)容和被操作對(duì)象等信息，這些信息將被傳輸給服務(wù)程序，以便滿(mǎn)足用戶(hù)要求命令接口是交互式接口，由終端處理程序、命令解釋程序和指令集合組成l終端處理程序：接收用戶(hù)輸入的命令，并將其顯示在屏幕上l命令解釋程序：用戶(hù)核查無(wú)誤后，使用回車(chē)鍵

12、通知該程序開(kāi)始分析指令和發(fā)送解析結(jié)果，并等待服務(wù)程序的處理反饋l指令集合：機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的機(jī)器動(dòng)作指令，由計(jì)算機(jī)硬件體系的各部件合作完成，該集合表征了計(jì)算機(jī)的功能2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口l命令接口批處理文件可被視為特殊的命令接口使用方式l批處理文件的特點(diǎn)l以“行”為單位順序保存了一個(gè)指令序列，該指令序列可以幫助用戶(hù)完成一個(gè)例行任務(wù)的快速執(zhí)行l(wèi)簡(jiǎn)化操作、減少輸入次數(shù)、節(jié)省時(shí)間l可對(duì)指令流進(jìn)行簡(jiǎn)單有效的定制l適合專(zhuān)業(yè)用戶(hù)使用：用戶(hù)必須按照指定格式和名稱(chēng)申請(qǐng)系統(tǒng)服務(wù)，還要了解文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)以確定被操作對(duì)象的具體位置l批處理文件用于執(zhí)行例行性任務(wù)2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)

13、的用戶(hù)接口n圖形用戶(hù)接口便于非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)正確、方便的使用操作系統(tǒng)l使用圖形用戶(hù)界面的操作系統(tǒng)在執(zhí)行程序時(shí)，首先創(chuàng)建一個(gè)新的顯示區(qū)域，該區(qū)域稱(chēng)為窗口，然后在該窗口中進(jìn)行指定程序的執(zhí)行l(wèi)用戶(hù)在使用窗口時(shí)可以根據(jù)喜好自定義窗口屬性，并在窗口中使用鼠標(biāo)選擇所需操作，此時(shí)的鼠標(biāo)動(dòng)作相當(dāng)于命令接口中的各種功能指令2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口l圖形用戶(hù)接口特點(diǎn)l可以簡(jiǎn)單、便捷、直觀(guān)地使用操作系統(tǒng)的各項(xiàng)系統(tǒng)服務(wù)l拉近了計(jì)算機(jī)與普通用戶(hù)的距離，極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展l縮短指令學(xué)習(xí)周期l幫助專(zhuān)業(yè)人員將更多的精力和時(shí)間放在更為重要的工作上去2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口n命令接口與

14、圖形接口的比較命令接口：優(yōu)勢(shì)在于對(duì)計(jì)算機(jī)資源的控制更為直接有效、系統(tǒng)與用戶(hù)的互動(dòng)性更強(qiáng)、占用資源少、響應(yīng)時(shí)間短，可以用于實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和特殊的計(jì)算機(jī)操控要求 圖形接口：具有美觀(guān)性、易用性、便捷性，利于非專(zhuān)業(yè)人士和無(wú)需控制系統(tǒng)環(huán)境的專(zhuān)業(yè)人士使用命令接口與圖形接口均用于人機(jī)交互2.2 操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口操作系統(tǒng)的用戶(hù)接口n程序接口 用戶(hù)程序中需要使用系統(tǒng)服務(wù)時(shí)必須使用OS提供的應(yīng)用程序接口（API）l系統(tǒng)程序：用于管理和分配系統(tǒng)資源，為用戶(hù)提供服務(wù)l用戶(hù)程序：用于完成用戶(hù)自身任務(wù)，需要向系統(tǒng)提出資源申請(qǐng)并等待系統(tǒng)的審核分配，是服務(wù)的申請(qǐng)者操作系統(tǒng)的程序接口由一組能請(qǐng)求操作系統(tǒng)內(nèi)核完成特定功能的專(zhuān)用過(guò)

15、程調(diào)用組成，用戶(hù)程序必須使用這種方式獲取核心態(tài)的系統(tǒng)服務(wù) 2.3 操作系統(tǒng)提供的服務(wù)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)n操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)控制程序運(yùn)行 進(jìn)行I/O操作操作文件系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)通信 錯(cuò)誤處理 n操作系統(tǒng)提供的公共函數(shù)資源分配統(tǒng)計(jì)管理和控制數(shù)據(jù)提供系統(tǒng)資源保護(hù)2.3.1 操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)n控制程序運(yùn)行系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)將用戶(hù)程序裝入內(nèi)存并運(yùn)行控制程序在規(guī)定時(shí)間內(nèi)結(jié)束將執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和異常及時(shí)地報(bào)告給用戶(hù)或系統(tǒng)的其他錯(cuò)誤處理程序n進(jìn)行I/O操作為保證各用戶(hù)合理、安全地共享設(shè)備資源，用戶(hù)不能直接控制設(shè)備，只能通過(guò)向系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備申請(qǐng)來(lái)請(qǐng)求系統(tǒng)代其處理，因此系統(tǒng)應(yīng)具有接收并解析設(shè)

16、備請(qǐng)求、完成請(qǐng)求工作、反饋設(shè)備工作結(jié)果給請(qǐng)求用戶(hù)等一系列的I/O控制功能 2.3.1 操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)n操作文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)是OS用來(lái)管理、存取文件的機(jī)制，支持”按名存取“l(fā)OS為用戶(hù)提供根據(jù)文件名稱(chēng)創(chuàng)建、訪(fǎng)問(wèn)、修改、刪除文件的方法，以確保文件數(shù)據(jù)的安全可靠以及正確存取l對(duì)于多個(gè)用戶(hù)，操作系統(tǒng)可將不同用戶(hù)的文件分別保護(hù)n實(shí)現(xiàn)通信當(dāng)多個(gè)程序合作完成一個(gè)大型任務(wù)時(shí)，通常需要借助通信來(lái)控制程序的執(zhí)行順序，該通信任務(wù)由OS提供的服務(wù)完成2.3.1 操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)操作系統(tǒng)提供的基本服務(wù)n錯(cuò)誤處理 在系統(tǒng)運(yùn)行期間，各種級(jí)別的程序都有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，嚴(yán)重者能造成系統(tǒng)崩潰操作系統(tǒng)通常都要設(shè)置錯(cuò)誤檢查和處理機(jī)制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并采取正確的處理步驟，避免損害系統(tǒng)的正確性和統(tǒng)一性2.3.2 操作系統(tǒng)提供的公共函數(shù)操作系統(tǒng)提供的公共函數(shù)n系統(tǒng)內(nèi)核中還提供大量公共基礎(chǔ)函數(shù)，用來(lái)幫助系統(tǒng)高效運(yùn)行，確保用戶(hù)合理共享資源，并提高系統(tǒng)效率資源分配：管理特殊系統(tǒng)資源，確保用戶(hù)和系統(tǒng)之間、用戶(hù)之間不會(huì)產(chǎn)生資源共享沖突，并能完