【教学课件】第2章用户界面.ppt

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1、 第2章 用户界面 1/9/202312.1 2.1 操作系统提供的用户界面操作系统提供的用户界面 用户界面也称为用户接口用户界面也称为用户接口，是操作系统提供给，是操作系统提供给用户与计算机打交道的外部机制，用户借助这种用户与计算机打交道的外部机制，用户借助这种机制来使用和控制计算机系统。用户界面是操作机制来使用和控制计算机系统。用户界面是操作系统中直接与用户交互的平台，是操作系统功能系统中直接与用户交互的平台，是操作系统功能中不可忽略的一个重要的组成部分，其优劣直接中不可忽略的一个重要的组成部分，其优劣直接关系到操作系统是否能够得到用户的青睐，是评关系到操作系统是否能够得到用户的青睐，是评

2、价操作系统性能的重要指标之一。价操作系统性能的重要指标之一。1/9/202322.1 2.1 操作系统提供的用户界面操作系统提供的用户界面操作系统的用户界面分为两种类型：操作系统的用户界面分为两种类型：操操作作命命令令界界面面:不不同同的的操操作作系系统统提提供供不不同同的的操操作作命命令令界界面，它包括键盘命令、图形界面以及批处理界面；面，它包括键盘命令、图形界面以及批处理界面；系系统统调调用用界界面面:常常被被称称作作系系统统调调用用接接口口或或系系统统调调用用函函数数，是是每每个个操操作作系系统统都都必必须须提提供供的的系系统统服服务务功功能能，用用户户能能够在够在源程序源程序中使用它来

3、请求系统服务。中使用它来请求系统服务。1/9/20233用户界面与操作系统用户界面与操作系统1/9/202342.1 2.1 操作系统提供的用户界面操作系统提供的用户界面p不不同同的的操操作作系系统统针针对对自自身身的的特特点点提提供供不不同同的的用用户户界界面面：分分时时系系统统必必须须提提供供键键盘盘命命令令和和系系统统调调用用界界面面，而而一一个个批批处处理理系系统统则则必必须须提提供供批批处处理理控制语言和系统调用界面。控制语言和系统调用界面。p任何操作系统都必须提供系统调用界面。任何操作系统都必须提供系统调用界面。1/9/202352.1.1 2.1.1 操作命令界面操作命令界面 操

4、操作作命命令令界界面面包包括括键键盘盘命命令令、图图形形界界面面（视视窗窗）和和批批处处理理作作业业控控制制语语言言。用用户户使使用用图图形形界界面面或或键键盘盘命命令令实实现现用用户户与与计计算算机机系系统统之之间间的的交交互互，或或使使用用操操作作命命令令界界面面来来实实现现对对作作业业的的批批处处理理控控制制。操操作作系系统统的的操操作作命命令令界界面面由由早早期期的的批批处处理理作作业业控控制制语语言言(JCL)(JCL)方方式式和和键键盘盘命命令令的的方方式式向向多多窗窗口口、菜菜单单、按按钮钮、声声控控等等图图形形化化及及多多媒媒体体方方式式变变化化，这这种种操操作作界界面面的的显

5、显著著进进步步也也体体现现了操作系统的不断更新。了操作系统的不断更新。1/9/202361.1.键盘命令键盘命令 分时操作系统中常用的键盘命令可以分为以下几类：分时操作系统中常用的键盘命令可以分为以下几类：目目录录操操作作：子子目目录录的的创创建建、删删除除、改改变变当当前前目目录录、更更名名、显显示示目目录录中中文文件件的的属属性性、显显示示当当前前目目录录路路径径等等等等有关目录的操作。有关目录的操作。文文件件操操作作：文文件件的的复复制制、移移动动、更更名名、文文件件操操作作权权限限的的设设置置、显显示示文文本本内内容容、查查找找文文件件、文文件件压压缩缩和和解解压压缩等等有关文件的操作

6、。缩等等有关文件的操作。系系统统管管理理：对对用用户户和和用用户户组组的的增增删删改改等等异异动动管管理理、对对系系统统进进程程的的查查看看和和管管理理、对对系系统统日日期期、时时间间的的显显示示和和修修改改等等系系统统管管理理、对对磁磁盘盘等等外外部部设设备备的的管管理理等等等等涉涉及及系统资源管理和用户管理的命令。系统资源管理和用户管理的命令。其它操作其它操作：清屏、历史命令的显示、系统帮助等。：清屏、历史命令的显示、系统帮助等。1/9/202372.2.图形界面图形界面 图图形形操操作作界界面面以以窗窗口口的的方方式式将将系系统统资资源源或或应应用用程程序序展展现现在在用用户户面面前前，

7、并并以以菜菜单单或或快快捷捷键键的的形形式式提提供供当当前前窗窗口口所所有有的的功功能能服服务务，使使用用户户能能够够在在窗窗口口或或对对话话框框的的提提示示下下，一一步步一一步步地地完完成成系系统统所所需需要要知知道道的的服服务务内内容容，从从而而使使系系统统能能够够正正确确地地响响应应用用户户通通过过菜菜单单给给出出的的请请求求，顺顺利利而而快快捷捷地地完完成系统与用户之间的交互。成系统与用户之间的交互。操操作作系系统统具具有有图图形形操操作作界界面面后后为为计计算算机机的的普普及及插插上上了了翅翅膀膀，使使计计算算机机进进入入千千家家万万户户成成为为可可能能。在在计计算算机机的的普普及及

8、上上，操作系统所提供的图形界面功不可没。操作系统所提供的图形界面功不可没。1/9/202383.3.批处理作业控制语言批处理作业控制语言 批批处处理理操操作作系系统统必必须须提提供供作作业业控控制制语语言言(JCL)，该该语语言言所所起起的的作作用用是是对对批批处处理理文文件件中中各各作作业业的的执执行行过过程程进进行行控控制制。操操作作系系统统对对于于作作业业批批处处理理控控制制语语言言采采用用解解释释执执行行方方式式，即即在批处理文件的执行过程中边解释边执行。在批处理文件的执行过程中边解释边执行。用用户户可可以以使使用用批批处处理理语语言言来来组组织织和和控控制制自自己己的的可可执执行行文

9、文件件的的执执行行，这这使使用用户户能能够够在在作作业业级级别别上上控控制制多多个个作作业业的的执行流程。执行流程。批处理是操作系统提供的作业操作界面，因此作业控批处理是操作系统提供的作业操作界面，因此作业控制语言由操作系统负责解释执行，无须编译连接，所以批制语言由操作系统负责解释执行，无须编译连接，所以批处理文件虽然可执行，但处理文件虽然可执行，但与高级程序编译连接后形成的可与高级程序编译连接后形成的可执行文件执行文件是是不同不同类型的文件。类型的文件。1/9/202393.3.批处理作业控制语言批处理作业控制语言批处理语言与高级语言的不同之处在于：批处理语言与高级语言的不同之处在于：批批处

10、处理理文文件件是是ASCIIASCII码码文文本本文文件件，它它由由可可执执行行的的文文件件、键键盘盘命命令令或或批批处处理理控控制制语语言言组组成成，其其中中的的可可执执行行文文件件和和键键盘盘命命令令都都可可以以在在文文本本方方式式下下单单独独执执行行；而而高高级级语语言言源源程程序序中中放放的的是是高高级级语语言言提提供供的的语语句句或或者者操操作系统提供的系统调用函数。作系统提供的系统调用函数。批批处处理理文文件件中中的的每每个个作作业业都都是是可可执执行行的的，因因而而不不需需要要编编译译连连接接，只只需需要要修修改改该该批批处处理理文文件件的的属属性性为为可可执执行行文文件件后后便

11、便可可执执行行；而而高高级级语语言言源源程程序序中中的的语语句句都都是是符符号号语语言言，需需要要经经过过编编译译连连接接翻翻译译成成二二进进制制代代码码后后才可以执行。才可以执行。操操作作系系统统所所提提供供的的批批处处理理作作业业控控制制语语句句的的格格式式因因为为没没有有编编译译程程序序的的帮帮助往往很呆板，使用时不如高级语言程序那么顺手好用。助往往很呆板，使用时不如高级语言程序那么顺手好用。因因为为批批处处理理不不经经过过编编译译，其其控控制制语语言言中中没没有有结结束束语语句句，最最后后一一个个作作业业（命命令令）执执行行完完后后就就自自动动结结束束了了；与与终终止止键键盘盘命命令令

12、的的执执行行相相同同，在在批批处处理理命命令令的的执执行行过过程程中中如如果果需需要要终终止止执执行行也也可可以以使使用用组组合合键键Ctrl+cCtrl+c实实现。现。而高级语言程序一般都有结束标记。而高级语言程序一般都有结束标记。1/9/2023102.1.2 2.1.2 系统调用界面系统调用界面 所所谓谓系系统统调调用用，就就是是用用户户在在程程序序中中调调用用操操作作系系统统所所提提供供的的一一些些子子功功能能。它它是是一一种种特特殊殊的的过过程程调调用用，这这种种调调用用通通常常是是由由特特殊殊的的机机器器指指令令实实现现的的。这这些些服服务务程程序序以以系系统统功功能能模模块块或或

13、函函数数的的形形式式提提供供给给用用户户，在在用用户户程程序序中中凡凡是是涉涉及及到到对对系系统统资资源源的的请请求求、控控制制、使使用用等等与与系系统统资资源源有有关关的的操操作作，都都可可以以在在程程序序中中需需要要的的地地方方提出请求，由操作系统的服务程序来完成。提出请求，由操作系统的服务程序来完成。1/9/2023112.1.3 2.1.3 两种界面之间的关系两种界面之间的关系 操作命令与系统调用两种界面的相互关系：操作命令与系统调用两种界面的相互关系：操作命令界面是在系统调用界面的支持下开发操作命令界面是在系统调用界面的支持下开发完成的。完成的。无论是键盘命令、图形界面还是批处理无论

14、是键盘命令、图形界面还是批处理文件，它们在执行后都会转换为相应的系统调用文件，它们在执行后都会转换为相应的系统调用函数去完成相应的任务。函数去完成相应的任务。所以，所以，系统调用是实现操作系统功能和应用程系统调用是实现操作系统功能和应用程序功能的支撑平台序功能的支撑平台。在设计操作系统时很大一部。在设计操作系统时很大一部分任务是设计操作系统所有的系统调用函数。分任务是设计操作系统所有的系统调用函数。1/9/202312操作系统提供给应用程序的一个接口，使得应用操作系统提供给应用程序的一个接口，使得应用程序能够获得操作系统的服务程序能够获得操作系统的服务进程管理、文件管理、存储管理、系统管理等进

15、程管理、文件管理、存储管理、系统管理等 系统调用是一个复杂的过程系统调用是一个复杂的过程 系统调用往往通过系统调用往往通过软中断软中断的方式实现的方式实现 系统调用在为应用程序提供操作系统服务的同时，系统调用在为应用程序提供操作系统服务的同时，也实现了对计算机资源和应用程序的保护也实现了对计算机资源和应用程序的保护2.2 2.2 系统调用系统调用 1/9/202313p软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，软中断是利用硬件中断的概念，用软件方式进行模拟，实现宏观上的实现宏观上的异步执行异步执行效果。很多情况下，软中断和效果。很多情况下，软中断和“信号信号”有些类似。有些类似。p软中断

16、和硬中断相对应，软中断和硬中断相对应，硬中断是外部设备对硬中断是外部设备对CPUCPU的的中断中断，软中断通常是硬中断服务程序对内核的中断软中断通常是硬中断服务程序对内核的中断，信号则是由内核（或其他进程）对某个进程的中信号则是由内核（或其他进程）对某个进程的中断断。关于软中断关于软中断 1/9/202314 系统调用一般包括以下几种类型：系统调用一般包括以下几种类型：1有关设备管理的系统调用：有关设备管理的系统调用：用用户户使使用用这这些些系系统统调调用用实实现现对对设设备备的的读读写写和和控控制制等等。比比如如系系统统调调用用readread、writewrite可可以以用用来来对对指指定

17、定设设备备进进行行读读写写；openopen、closeclose可以用来打开和关闭指定的设备等等。可以用来打开和关闭指定的设备等等。2有关进程控制的系统调用：有关进程控制的系统调用：比比如如实实验验中中将将用用到到进进程程的的创创建建fork()fork()、进进程程的的终终止止exitexit()()、获获取取当当前前进进程程的的标标识识符符getpid()getpid()、等等待待子子进进程程终终止止waitwait()()、执行某个应用程序、执行某个应用程序execl()execl()等等。等等。2.2.1 2.2.1 系统调用的类型系统调用的类型 1/9/2023152.2.1 2.

18、2.1 系统调用的类型系统调用的类型 3有关进程通信的系统调用：有关进程通信的系统调用：比比如如我我们们也也要要在在实实验验中中用用到到的的实实现现父父子子进进程程通通信信的的管管道道创创建建pipe()pipe()，实实现现多多进进程程共共享享消消息息队队列列的的几几个个系系统统调调用用msgget()msgget()、msgsnd()msgsnd()、msgrcv()msgrcv()、msgctl()msgctl()，实实现现多多进进程程共共享享内内存存缓缓冲冲区区的的系系统统调调用用shmget()shmget()、shmat()shmat()、shmdt()shmdt()、shmctl

19、()shmctl()，以以及及实现网络套接字实现网络套接字socketsocket的几个系统调用等等。的几个系统调用等等。4有关文件管理的系统调用：有关文件管理的系统调用：有有关关文文件件管管理理的的系系统统调调用用是是用用户户源源程程序序中中使使用用最最多多的的一一种种，它它包包括括文文件件的的打打开开、关关闭闭、读读、写写、创创建建、删删除除、执执行行、安安装装、获获取取等等等等。其其中中最最常常用用的的如如打打开开、关关闭闭、读读、写写等等直直接接作作为为语语句句提提供供在在高高级级语语言言中中直直接接使使用用。比比如如我我们们在在C C语语言言中中所所熟熟悉悉的的openopen()(

20、)、close()close()、read()read()、write()write()等等虽虽是是以以语语句句的的形形式式给给出出，最最后后调调用用的的是是操操作作系系统统所提供的系统调用。所提供的系统调用。5关于存储管理的系统调用：关于存储管理的系统调用：涉涉及及到到对对内内存存空空间间大大小小的的获获取取和和释释放放、请请求求内内存存缓缓冲冲区区、检检查查内内存存中中现现有有的的进进程、改变堆栈的大小等等操作都要使用这一类的系统调用。程、改变堆栈的大小等等操作都要使用这一类的系统调用。6关于系统管理的系统调用：关于系统管理的系统调用：比如对系统日期和时间的设置或读取、获得当前用户或主机的

21、标识符等等。比如对系统日期和时间的设置或读取、获得当前用户或主机的标识符等等。显显然然，一一个个操操作作系系统统所所提提供供的的系系统统调调用用越越多多，其其功功能能就就越越强强，用用户户就就越越方方便便，当然系统本身就越复杂和庞大，分析起来也就越困难。当然系统本身就越复杂和庞大，分析起来也就越困难。1/9/2023162.2.2 2.2.2 系统调用的实现系统调用的实现 系系统统调调用用函函数数执执行行时时处处理理机机处处于于核核态态或或管管态态，CPUCPU可可以以执执行行系系统统程程序序中中的的特特权权指指令令、访访问问内内核核空空间间。因因此此，在在用用户户在在源源程程序序中中需需要要

22、执执行行特特权权指指令令的的时时候候，必必须须使使用用系系统统调调用用来来请请求求操操作作系系统统的的服服务务，由由操操作作系系统统的的服服务务程程序序来来完完成。成。当当处处理理机机执执行行用用户户程程序序中中的的系系统统调调用用函函数数时时，由由特特定定的的硬硬件件或或软软件件指指令令实实现现对对操操作作系系统统某某个个功功能能的的调调用用，CPU在在执执行行到到系系统统调调用用函函数数时时会会产产生生访访管管中中断断，通通过过中中断断自自动动将将CPU的的态态由由用用户户态态转转变变为为系系统统态态，然然后后进进入入系系统统的的服服务务程程序序去去执执行行，服服务务完完成成后后再再通通过

23、过中中断断返返回回将将处处理理机机的的状状态态由由系系统统态态转转变变回回用用户户态态，然然后后返返回回用用户户程程序序中中被被中中断断的的地地方继续执行。方继续执行。1/9/202317系统功能的调用系统功能的调用 p 系统调用与返回系统调用与返回p程序之间的嵌套调用程序之间的嵌套调用1/9/202318系统调用执行过程系统调用执行过程 1/9/2023192.2.2 2.2.2 系统调用的实现系统调用的实现 不不同同的的操操作作系系统统实实现现系系统统调调用用的的具具体体方方法法不不同同，但但其其实实质质相相同同，都都具具有以下几点：有以下几点：1.每个系统调用对应一个系统调用号；每个系统

24、调用对应一个系统调用号；2.每个系统调用有一个对应的执行程序段；每个系统调用有一个对应的执行程序段；3.每个系统调用要求一定数量的输入参数和返回值；每个系统调用要求一定数量的输入参数和返回值；4.整个系统有一个系统调用执行程序入口地址表。整个系统有一个系统调用执行程序入口地址表。1/9/2023202.2.2 2.2.2 系统调用的实现系统调用的实现 用用户户在在其其源源程程序序中中需需要要请请求求系系统统服服务务的的地地方方使使用用请请求求系系统统服服务务的的访访管管指指令令，执执行行访访管管指指令令时时产产生生访访管管中中断断并并转转到到操操作作系系统统访访管管中中断断处处理理程程序序执执

25、行行，并并通通过过中中断断将将CPU的的态态修修改改为为核核态态。该该中中断断处处理理程程序序根根据据系系统统调调用用的的名名称称或或调调用用号号查查系系统统调调用用子子程程序序入入口口地地址址表表（即即图图中中的的例例行行子子程程序序入入口口地地址址表表），找找到到该该系系统统调调用用子子程程序序的的入入口口地地址址，从从而而转转到到系系统统调调用用子子程程序序去去执执行行。操操作作系系统统与与用户程序配合完成系统调用的过程参见前用户程序配合完成系统调用的过程参见前图图。1/9/2023212.2.3 2.2.3 系统调用与子程序调用的区别系统调用与子程序调用的区别 系统调用在形式上与子程序

26、调用类似，但是它们有本质的区别，系统调用在形式上与子程序调用类似，但是它们有本质的区别，其区别见下表：其区别见下表：系统调用系统调用子程序调用子程序调用系统调用的程序是操作系统的程序，其系统调用的程序是操作系统的程序，其操作是针对系统资源的，执行时处理机操作是针对系统资源的，执行时处理机处于管态或核态。处于管态或核态。子程序调用的程序是用户的程序，其操子程序调用的程序是用户的程序，其操作不涉及系统资源，执行时处理机处于作不涉及系统资源，执行时处理机处于目态。目态。系统调用时会产生中断，并通过中断使系统调用时会产生中断，并通过中断使CPU的态由目态转换为管态。的态由目态转换为管态。子程序调用时不

27、会产生中断，子程序调用时不会产生中断，CPU的态的态也不会改变，都是目态。也不会改变，都是目态。系统调用的命令由操作系统提供。系统调用的命令由操作系统提供。子程序调用命令由所用的语言系统提供。子程序调用命令由所用的语言系统提供。1/9/2023222.3 Linux的系统调用的系统调用 LinuxLinux在系统文件在系统文件/usr/src/linux-2.4/arch/i386/kernel/entry.S/usr/src/linux-2.4/arch/i386/kernel/entry.S中存放了系统所提供的系统调用的中存放了系统所提供的系统调用的入口表，表中给出了函数名与调用编号之间的

28、对应关系。比如入口表，表中给出了函数名与调用编号之间的对应关系。比如exit()exit()的调用号是的调用号是1 1号，号，fork()fork()是是2 2号，以此类推，如下所示为部分调用号与函数名之间对应的系统调用入口表。号，以此类推，如下所示为部分调用号与函数名之间对应的系统调用入口表。ENTRY(sys_call_table).longSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/*0oldsetup()systemcall*/.longSYMBOL_NAME(sys_exit).longSYMBOL_NAME(sys_fork).longSYMBOL_NAME(sys_r

29、ead).longSYMBOL_NAME(sys_write).longSYMBOL_NAME(sys_open)/*5*/.longSYMBOL_NAME(sys_close).longSYMBOL_NAME(sys_waitpid).longSYMBOL_NAME(sys_creat).longSYMBOL_NAME(sys_link).longSYMBOL_NAME(sys_unlink)/*10*/.longSYMBOL_NAME(sys_execve).longSYMBOL_NAME(sys_chdir).longSYMBOL_NAME(sys_time).longSYMBOL_NA

30、ME(sys_mknod).longSYMBOL_NAME(sys_chmod)/*15*/1/9/2023232.3 Linux的系统调用的系统调用 在系统文件在系统文件/usr/src/linux-2.4/kernel/sys.c/usr/src/linux-2.4/kernel/sys.c中存放了中存放了一部分系统调用函数，它们都以一部分系统调用函数，它们都以asmlinkageasmlinkage开头，类型都开头，类型都是是longlong，而且在调用的函数名前面加上前缀，而且在调用的函数名前面加上前缀sys_sys_如下所示。如下所示。比如，上面的入口表中的第比如，上面的入口表中的第

31、0 0号系统调用函数号系统调用函数ni_syscallni_syscall就是就是asmlinkage long sys_ni_syscall(void)asmlinkage long sys_ni_syscall(void)函数，如下函数，如下所示。所示。asmlinkagelongsys_ni_syscall(void)return-ENOSYS;1/9/2023242.3 Linux的系统调用的系统调用还有其它一些系统调用函数，它们都以还有其它一些系统调用函数，它们都以asmlinkage long sys_asmlinkage long sys_开头，比如：开头，比如：asmlinka

32、gelongsys_getrusage(intwho,structrusage*ru)if(who!=RUSAGE_SELF&who!=RUSAGE_CHILDREN)return-EINVAL;returngetrusage(current,who,ru);asmlinkagelongsys_umask(intmask)mask=xchg(¤t-fs-umask,mask&S_IRWXUGO);returnmask;如果用户需要在系统内核中增加一个新的系统调用函数，则必须修如果用户需要在系统内核中增加一个新的系统调用函数，则必须修改上述两个系统文件改上述两个系统文件entry.Sentry.S和和sys.csys.c，并对系统内核进行重新编译形成，并对系统内核进行重新编译形成新的内核，系统才能识别新增加的系统调用函数。新的内核，系统才能识别新增加的系统调用函数。1/9/202325作业作业p第第2章章2、3题题1/9/202326