第2章操作系統(tǒng)用戶界面

第2章操作系統(tǒng)用戶界面2.1簡介用戶界面負(fù)責(zé)用戶和操作系統(tǒng)之間的交互用戶通過用戶界面向計算機(jī)系統(tǒng)提交服務(wù)需求計算機(jī)通過用戶界面向用戶提供其所需要的服務(wù)用戶的分類使用和管理計算機(jī)應(yīng)用程序的用戶普通用戶：只是使用計算機(jī)的應(yīng)用服務(wù)管理員用戶：負(fù)責(zé)計算機(jī)和操作系統(tǒng)的正常與安全運行程序開發(fā)人員：利用操作系統(tǒng)提供的編程功能開發(fā)新的應(yīng)用程序，完成用戶所要求的服務(wù)2.1簡介對不同用戶，操作系統(tǒng)提供不同的用戶界面操作命令：對普通用戶和管理員，這些命令可以實現(xiàn)用戶所要求的不同功能（例如，上網(wǎng)、在線處理、辦公處理等），為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)系統(tǒng)調(diào)用：對編程人員，這些系統(tǒng)調(diào)用允許編程人員使用操作系統(tǒng)和程序，開發(fā)能夠滿足用戶服務(wù)需求的新的控制命令不同操作系統(tǒng)為用戶提供不同的操作命令、不同的系統(tǒng)調(diào)用2.2一般用戶的輸入輸出界面2.2.1作業(yè)的定義當(dāng)用戶要求處理問題時，應(yīng)首先用某種程序設(shè)計語言對要處理的問題編制源程序，再準(zhǔn)備好初始數(shù)據(jù)，然后把編制好的源程序和準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)系統(tǒng)中，在操作系統(tǒng)的控制下，經(jīng)過編譯、裝配、運行等加工步驟，就能得到處理結(jié)果圖2.1一般編程過程

2.2.1作業(yè)的定義作業(yè)：是用戶在一次解題或一個事務(wù)處理過程中要求計算機(jī)系統(tǒng)所做工作的集合，包括用戶程序、所需數(shù)據(jù)和命令等。作業(yè)步：是作業(yè)中計算機(jī)所做的相對獨立的工作或加工步驟。例如，編輯是一個作業(yè)步作業(yè)管理：一個作業(yè)從輸入到輸出的一個過程作業(yè)提交作業(yè)調(diào)度作業(yè)控制作業(yè)退出

對于被調(diào)度的作業(yè)，OS要對它在系統(tǒng)中整個運行過程實行控制，作業(yè)的控制過程如圖所示2.2.2作業(yè)組成作業(yè)是一個比程序更廣的概念。它由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書組成。系統(tǒng)通過作業(yè)說明書控制文件形式的程序和數(shù)據(jù)，使之執(zhí)行和操作。作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書三部分組成：程序：是問題求解的算法描述數(shù)據(jù)：是程序加工的對象作業(yè)說明書：是告訴操作系統(tǒng)本作業(yè)的程序和數(shù)據(jù)按照什么樣的要求使之執(zhí)行2.2.2作業(yè)組成作業(yè)說明書體現(xiàn)用戶的控制意圖，在系統(tǒng)中生成一個作業(yè)控制塊JCB（JobControlBlock）的表格作業(yè)控制塊是作業(yè)管理中最主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是作業(yè)存在系統(tǒng)的唯一標(biāo)志。作業(yè)控制塊保存了系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行管理的全部信息操作系統(tǒng)是根據(jù)JCB來對作業(yè)進(jìn)行控制和管理的。例如，當(dāng)OS進(jìn)行作業(yè)調(diào)度的時候，它要訪問作業(yè)控制塊的信息，從中找出作業(yè)標(biāo)識、作業(yè)狀態(tài)等信息；在作業(yè)輸出時，要從JCB中找到輸出井的地址等信息。JCB要包括如下信息：圖2.2作業(yè)說明書的主要內(nèi)容2.2.2作業(yè)組成通常，作業(yè)說明書主要用于批處理系統(tǒng)中，且各計算機(jī)廠家對自己的系統(tǒng)定義有各自的作業(yè)說明書的格式和內(nèi)容在微機(jī)系統(tǒng)和工作站系統(tǒng)中，常用批處理文件或shell程序方式編寫作業(yè)說明書2.2.3一般用戶的輸入輸出方式聯(lián)機(jī)輸入輸出方式：通過交互會話方式，實現(xiàn)作業(yè)輸入輸出脫機(jī)輸入輸出方式：解決設(shè)備速度太慢的問題直接耦合方式：將主機(jī)和外圍機(jī)通過一個公用的大容量外存直接耦合起來，從而省去了在脫機(jī)輸入中依靠人工干預(yù)來傳遞后援存儲器的過程。其中，公用存儲器中大量數(shù)據(jù)的高速讀寫由主機(jī)完成，慢速的輸入輸出過程仍又外圍機(jī)自己管理圖2.3直接耦合方式2.2.3一般用戶的輸入輸出方式SPOOLING系統(tǒng)：稱為外圍設(shè)備同時聯(lián)機(jī)操作

圖2.4SPOOLING系統(tǒng)2.2.3一般用戶的輸入輸出方式SPOOLING系統(tǒng)：該系統(tǒng)中，多臺外圍設(shè)備通過通道或DMA器件和主機(jī)與外存連接起來。作業(yè)的輸入輸出過程由主機(jī)中的操作系統(tǒng)控制。操作系統(tǒng)中的輸入程序包含兩個獨立的過程：讀過程：負(fù)責(zé)從外設(shè)把信息讀入緩沖區(qū)寫過程：負(fù)責(zé)把緩沖區(qū)的信息送到外存輸入井中網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)方式

：以上述幾種輸入輸出方式為基礎(chǔ)2.3命令控制界面操作系統(tǒng)提供兩個用戶接口界面：系統(tǒng)調(diào)用：程序級編程人員使用系統(tǒng)調(diào)用來請求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，如申請和釋放外設(shè)等資源、控制程序的執(zhí)行速度等。操作命令：作業(yè)級用戶利用這些操作命令來組織和控制作業(yè)的執(zhí)行或管理計算機(jī)系統(tǒng)

作業(yè)控制語言（早期批處理操作系統(tǒng)）鍵盤命令（交互式OS，分時OS）圖形用戶接口（UNIX、WINDOWS）2.3命令控制界面命令控制界面：用來組織和控制作業(yè)運行使用操作命令進(jìn)行作業(yè)控制主要有兩種方式：脫機(jī)方式聯(lián)機(jī)方式2.3命令控制界面脫機(jī)控制方式用戶將作業(yè)的執(zhí)行順序和出錯處理方法一并以作業(yè)控制說明書的方式或命令文件方式提交給系統(tǒng)，由系統(tǒng)按照作業(yè)說明書或命令文件中所規(guī)定的順序控制作業(yè)執(zhí)行。作業(yè)控制說明書：由一組具有編程語言特征的作業(yè)控制命令，或稱作業(yè)控制語言組成。其主要包括作業(yè)情況、作業(yè)資源要求、出錯處理等內(nèi)容執(zhí)行過程中，用戶無法干涉UNIX／Linux中的Shell語言也可作為JCL使用效率較高，但缺乏交互能力，不適合初學(xué)者2.3命令控制界面聯(lián)機(jī)控制方式采用人機(jī)對話方式來控制作業(yè)運行，及時交互由一組命令及命令解釋程序組成，也稱命令接口一般可提供如下的一種或幾種方式：命令行方式菜單方式命令文件方式聯(lián)機(jī)控制方式命令行方式通過控制臺終端，打入操作系統(tǒng)提供的命令來控制自己的作業(yè)的運行各操作系統(tǒng)命令從格式到功能都不盡相同

通常的命令格式：

COMMANDargl，arg2，…，argn＜CR＞命令類型:環(huán)境設(shè)置、權(quán)限管理、系統(tǒng)管理、文件管理等該方式繁瑣，難記，但用起來快捷便利、十分靈活聯(lián)機(jī)控制方式批命令方式把所需執(zhí)行的一系列命令組裝成文件，然后用文件名作為命令名執(zhí)行所需命令序列，從而自動控制作業(yè)的運行例如，MS的BAT文件Unix的Shell文件或Shell過程對一些重復(fù)運行的作業(yè)非常有用聯(lián)機(jī)控制方式命令解釋程序接收用戶輸入的命令行，作出相應(yīng)的解釋并執(zhí)行該命令提出的對作業(yè)的處理要求。通常會保存一張命令名字（動詞）表記錄所有操作命令及其處理程序的人口地址或相關(guān)信息

圖形用戶接口圖形用戶接口（GraphicsUserInterface，GUI）：通過出現(xiàn)在屏幕上的對象直接進(jìn)行操作，以控制和操縱程序運行將各種圖形元素顯示在屏幕上，對屏幕上的對象直接進(jìn)行操作部件構(gòu)成：窗口、菜單、列表框、消息框、對話框、按鈕、滾動條等特點：人機(jī)交互的并發(fā)性好、傳遞信息量大例如，MSWindows、UNIX的X－Window等

圖形用戶接口采用事件驅(qū)動的控制方式，工作過程：用戶按鍵或點擊鼠標(biāo)產(chǎn)生一個事件，通過中斷系統(tǒng)激發(fā)事件驅(qū)動控制程序由事件驅(qū)動控制程序負(fù)責(zé)接收、分析和處理事件最后清除處理過的事件最新進(jìn)展：觸摸屏、話音、用戶表情和肢體動作等

2.5系統(tǒng)調(diào)用——程序級接口在計算機(jī)系統(tǒng)中有兩類程序運行：用戶程序、系統(tǒng)程序用戶程序必須在系統(tǒng)程序的控制和管理下運行用戶程序、系統(tǒng)程序執(zhí)行時有不同的權(quán)限1.用戶態(tài)與系統(tǒng)態(tài)根據(jù)對系統(tǒng)資源和機(jī)器指令的使用權(quán)限，把處理機(jī)執(zhí)行時的工作狀態(tài)分為系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，系統(tǒng)態(tài)(管態(tài))：將處理機(jī)在系統(tǒng)程序中執(zhí)行稱為系統(tǒng)態(tài)用戶態(tài)(算態(tài))：將處理機(jī)在用戶程序中執(zhí)行稱為系統(tǒng)態(tài)其權(quán)限次序是：系統(tǒng)態(tài)、用戶態(tài)2.特權(quán)指令與訪管指令特權(quán)指令

系統(tǒng)態(tài)（管態(tài)）：CPU執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時所處的狀態(tài)在此狀態(tài)下允許CPU使用全部資源和全部指令，其中包括一組特權(quán)指令，實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的分配與管理，為用戶提供使用外部設(shè)備的服務(wù)。特權(quán)指令：只允許系統(tǒng)態(tài)下使用的指令。包括：使用外設(shè)的指令訪問程序狀態(tài)的指令：改變處理機(jī)狀態(tài)、切換處理機(jī)存取特殊寄存器指令：如存取中斷寄存器允許和禁止中斷其它指令2.特權(quán)指令與訪管指令用戶態(tài)：用戶程序執(zhí)行時CPU所處的狀態(tài)。

在此狀態(tài)下禁止使用特權(quán)指令，不能直接使用系統(tǒng)資源與改變CPU狀態(tài)，并且只能訪問用戶程序所在的存儲空間。

問題：用戶提出使用外設(shè)的請求，如何完成？訪管指令（或稱陷阱指令）實現(xiàn)從用戶態(tài)到系統(tǒng)態(tài)的改變；在系統(tǒng)態(tài)下由操作系統(tǒng)代替用戶完成其請求；操作系統(tǒng)工作完成后，由系統(tǒng)態(tài)到用戶態(tài)。訪管指令本身并不是特權(quán)指令，而是系統(tǒng)態(tài)指令處理機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

當(dāng)CPU執(zhí)行用戶程序時，CPU機(jī)處于用戶態(tài)，在執(zhí)行的過程中出現(xiàn)了中斷時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去處理與中斷有關(guān)的事件，這時CPU由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)態(tài)，處理完中斷后，返回斷點繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，這時CPU由系統(tǒng)態(tài)轉(zhuǎn)換成用戶態(tài)。右圖是UNIX系統(tǒng)環(huán)境下處理機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，在UNIX系統(tǒng)中，把系統(tǒng)態(tài)稱為核心態(tài)用戶態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)態(tài)在下列情況下，由用戶態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)態(tài)：用戶程序要求操作系統(tǒng)的服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)用；發(fā)生一次中斷；在用戶程序中產(chǎn)生了一個錯誤的狀態(tài)；在用戶程序中企圖執(zhí)行一條特權(quán)指令；從系統(tǒng)態(tài)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)用一條指令實現(xiàn)，這條指令就是訪管指令（或稱陷阱指令）。3.系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用(SYSTEMCALL)，也稱程序接口是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口，用戶在程序中使用系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。例如，在程序中要求顯示某個子目錄，這時就不能讓正在運行的程序退出，然后發(fā)出“DIR”命令。這就要求在程序中能直接使用“DIR”命令，這種直接使用操作系統(tǒng)命令的功能稱為系統(tǒng)調(diào)用。3.系統(tǒng)調(diào)用編程人員利用系統(tǒng)調(diào)用，在源程序一級動態(tài)請求和釋放系統(tǒng)資源，調(diào)用系統(tǒng)中已有的系統(tǒng)功能來完成那些與機(jī)器硬件部分相關(guān)的工作以及控制程序的執(zhí)行速度等。因此，系統(tǒng)調(diào)用像一個黑箱子那樣，對用戶屏蔽了操作系統(tǒng)的具體動作而只提供有關(guān)的功能。3.系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的定義允許用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的一些子功能是特殊的功能調(diào)用，由特殊的機(jī)器指令實現(xiàn)通過訪管指令或軟中斷方式中斷現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的子程序，完成特定的系統(tǒng)功能系統(tǒng)調(diào)用程序是一個低級過程，只能由匯編語言直接訪問，直接調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用就是由操作系統(tǒng)代替用戶完成某些特定任務(wù)的子過程。因此，擴(kuò)充了機(jī)器指令，增加了系統(tǒng)功能，方便了用戶使用。系統(tǒng)調(diào)用舉例程序中：open打開文件

creat創(chuàng)建文件

exit進(jìn)程終止（程序序結(jié)束）

close關(guān)閉文件3.系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是通過訪管指令實現(xiàn)的在程序中，如果希望請求操作系統(tǒng)的服務(wù)（例，打開一個文件，顯示某個目錄的內(nèi)容等），就要執(zhí)行一條訪管指令（trap、int），系統(tǒng)處理這個中斷，即為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)（或者稱響應(yīng)用戶的請求）。PDP－11系統(tǒng)計算機(jī)的UNIX系統(tǒng)：TRAPN微機(jī)windows95/98/NT，MS-DOS：INTNN：為地址碼注意：在匯編程序中是顯式地使用訪管中斷命令，trap、INT。而在高級語言中（C語言）是隱式使用訪管指令。系統(tǒng)調(diào)用的類型凡是涉及操作系統(tǒng)核心管理資源的操作必須由系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用的類型有：設(shè)備管理類文件管理類：如open（）、close（）進(jìn)程控制類：如fork（）、wait（）進(jìn)程通信類存儲管理類維護(hù)管理類不同的操作系統(tǒng)提供不同的系統(tǒng)調(diào)用。通常，每個系統(tǒng)都有幾十到幾百條系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用越多，功能就越強(qiáng)，使用更加靈活系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)不同的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的具體方法有所不同，但其實質(zhì)的特點是相同的：每個系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用號；每個系統(tǒng)調(diào)用有一個對應(yīng)的執(zhí)行程序段；每個系統(tǒng)調(diào)用要求一定數(shù)量的輸入?yún)?shù)和返回值；整個系統(tǒng)有一個系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行程序入口地址表；系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)在陷入中斷發(fā)生時，從用戶態(tài)－>核心態(tài)。這一轉(zhuǎn)換在發(fā)生訪管中斷時由硬件自動實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用語句本身是硬件提供的(機(jī)器指令)，但其所調(diào)用的功能是操作系統(tǒng)提供的。每種機(jī)器的機(jī)器指令集中都有一條系統(tǒng)調(diào)用指令系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)圖2.7系統(tǒng)調(diào)用的處理過程系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)使用步驟系統(tǒng)調(diào)用所需參數(shù)及其首地址送到規(guī)定的通用寄存器設(shè)置一條調(diào)用指令（訪管指令或軟中斷指令）執(zhí)行過程保護(hù)用戶程序的現(xiàn)場執(zhí)行相應(yīng)功能：根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用提供的功能號，訪問系統(tǒng)功能入口地址表，得到相應(yīng)功能的人口地址，然后轉(zhuǎn)去執(zhí)行返回處理：在系統(tǒng)調(diào)用處理結(jié)束之后，還要恢復(fù)處理器現(xiàn)場。在操作系統(tǒng)中，處理器的現(xiàn)場一般被保護(hù)在特定的內(nèi)存區(qū)或寄存器中系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)參數(shù)傳遞目的：實現(xiàn)用戶程序和系統(tǒng)程序間的參數(shù)傳遞常用實現(xiàn)方法：由陷入指令自帶參數(shù)：陷入指令的長度有限的，且還要攜帶系統(tǒng)調(diào)用功能號，只能自帶有限的參數(shù)通過有關(guān)通用寄存器來傳遞參數(shù)：這些寄存器應(yīng)是系統(tǒng)程序和用戶程序都能訪問，由于寄存器長度較短，無法傳遞較多的參數(shù)更為常見的是在內(nèi)存中開辟專用堆棧區(qū)來傳遞參數(shù)UNIX系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)UNIX系統(tǒng)調(diào)用的使用

在UNIX系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用是自陷的一種。例如，某用戶程序要求打開一個文件：匯編語言程序中：trap5C語言程序中：open(“文件路徑名，mode）UNIX系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)自陷指令(trap)trap處理程序是UNIX系統(tǒng)的自陷處理程序，負(fù)責(zé)處理所有的自陷（來自處理機(jī)內(nèi)部的中斷），其中包括系統(tǒng)調(diào)用的處理。系統(tǒng)調(diào)用的處理過程：把要求的參數(shù)傳送到指