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 用戶工作環(huán)境2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口2.3 操作系統(tǒng)提供的服務(wù)2.1 用戶工作環(huán)境用戶工作環(huán)境n用戶環(huán)境指的是用戶以自己的賬號和密碼登錄到系統(tǒng)后所見到的整體操作環(huán)境，這個環(huán)境應(yīng)該由操作系統(tǒng)和用戶自身設(shè)定綜合而成。 操作系統(tǒng)會在用戶賬號下關(guān)聯(lián)一個操作偏好設(shè)置的記錄，當(dāng)某用戶以自身賬號和相應(yīng)密碼登錄系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)將自動按照該記錄設(shè)置默認(rèn)的用戶操作環(huán)境。對普通用戶而言，圖形化的環(huán)境更容易上手和操作對特殊應(yīng)用領(lǐng)域的用戶而言，使用命令行形式能獲得更好的響應(yīng)效率2.1.1 用戶環(huán)境用戶環(huán)境n在設(shè)定用戶環(huán)境前，通常要求系統(tǒng)先啟動，即先將所有用戶的公共服務(wù)

2、和基本的系統(tǒng)操作環(huán)境設(shè)置好，然后再根據(jù)各用戶的個人設(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)正在開機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)兩個步驟后才能為用戶提供正確的服務(wù)，確保用戶任務(wù)的順利完成。系統(tǒng)生成(System Generation，SYSGEN)：在為用戶建立工作環(huán)境前，需要先檢測硬件情況，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)存并啟動系統(tǒng)的過程。 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)裸機被啟動時，為了生成正確的操作系統(tǒng)，需要根據(jù)硬件平臺的狀況進(jìn)行一系列重

3、要的安裝工作，為此需要設(shè)計一個特殊的程序來自動進(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)采用硬件直接檢測的信息獲取方式。l配置信息用來幫助系統(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)生成時參考的重要配置信息CPU類型內(nèi)存大小 當(dāng)前關(guān)聯(lián)設(shè)備的類型和數(shù)量 操作系統(tǒng)的重要功能選項和參數(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)動法：所有的系統(tǒng)代碼(尤其是實現(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)實際運行時，根據(jù)自身當(dāng)前運行需要

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)功能運作，同時也加速了啟動速度。 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：為了實現(xiàn)專有硬件平臺對實時性、快速性等特殊性能的更高要求，可根據(jù)用戶的特定需求定制操作系統(tǒng)，并將其完全編譯，形成專用系統(tǒng)。l此類系統(tǒng)將一些與用戶需求無關(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中的啟動引導(dǎo)程序完成，整個系統(tǒng)引導(dǎo)過程包括定位內(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)核運行起來。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) 計算機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)啟動自舉程序等l中斷服務(wù)程序是系統(tǒng)軟硬件間的一個可編程接口，用于完成硬件初始化l系統(tǒng)設(shè)置程序用來設(shè)置CMOS RAM中的各項參數(shù)l上電自檢POST在通電后自動對系統(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)問題就通過鳴笛或提示信息警告用戶 l系統(tǒng)啟動自舉程序按照系統(tǒng)CMOS設(shè)置中保存的啟動順序搜索有效的硬件驅(qū)動器，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 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)行對硬件、電路邏輯等的初始化操作，以及對內(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)是啟動用戶接口，使系統(tǒng)處于等待命令輸入狀態(tài)l此時操作系統(tǒng)做的主要工作是為用戶創(chuàng)建基本工作環(huán)境，接收、解釋和執(zhí)行用戶程序與指令。l全系統(tǒng)初始化完成后，各用戶看到的接口表現(xiàn)會根據(jù)用戶自身設(shè)定顯示 Linux用戶命令行登錄界面Linux用戶圖形登錄界面2.1.3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動nLinux的啟動過程需

7、要多個環(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)核裝入時需要先進(jìn)行代碼的解壓縮，然后才能開始初始化過程，初始化過程完成后陸續(xù)生成各終端進(jìn)程，以便為用戶提供所需系統(tǒng)服務(wù)。BIOS初始化 裝載啟動引導(dǎo)程序 內(nèi)核初始化 啟動系統(tǒng) 2.1.3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動nBIOS初始化 硬件配置檢測：檢查并獲取外設(shè)數(shù)量、類型、工作方式等重要的管控信息 硬件初始化：可避免硬件設(shè)備操作不會造成硬件沖突，同時顯示系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備列表裝入引導(dǎo)程序：根據(jù)用戶預(yù)定義次序依次訪問軟盤、硬盤和CD-ROM的第一個扇區(qū)，并將搜索過程中遇到的第一個引導(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)啟動引導(dǎo)程序的第一條指令2.1.3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動n裝載啟動引導(dǎo)程序 Linux中當(dāng)前最流行的啟動引導(dǎo)程序為GRUBlGRUB占用空間較大，無法一次性全部放入MBR，因此在BIOS初始化時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將匯編語言環(huán)境轉(zhuǎn)化為C語言環(huán)境，接著顯示一個界面讓用戶選擇想要啟動的操作系統(tǒng)l

9、用戶選擇了要啟動的系統(tǒng)后，相應(yīng)內(nèi)核將被裝入內(nèi)存Red Hat Enterprise Linux 5 的啟動菜單 2.1.3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動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)存的特定空間對讀入的內(nèi)核信息進(jìn)行檢測檢測并配置內(nèi)存、鍵盤、磁盤等各種設(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startup_32()函數(shù)裝入各數(shù)據(jù)段寄存器、初始化頁表、建立0號進(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init()函數(shù)(1號進(jìn)程)。 2.1.

10、3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動n啟動系統(tǒng)啟動系統(tǒng)過程由init()函數(shù)完成，因此它又被稱為初始化進(jìn)程，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并初始化其它所有的新進(jìn)程 工作過程l讀取設(shè)置文件/etc/inittabl執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本、對系統(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確定啟動后進(jìn)入的運行級別l順序啟動并初始化系統(tǒng)重要服務(wù)工作l啟動虛擬終端，并在運行級別5上運行X-windowLinux的圖形界面服務(wù)軟件2.1.3 實例分析：實例分析：Linux系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動nLinux啟動過程實際上是一個CPU控制權(quán)的傳遞過程 2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口n操作系統(tǒng)是用戶程序執(zhí)行的平臺

11、，為用戶進(jìn)程提供系統(tǒng)服務(wù)n操作系統(tǒng)的關(guān)鍵性、重要性要求用戶不能隨意直接訪問和調(diào)用系統(tǒng)功能模塊在現(xiàn)代計算機體系中，用戶使用系統(tǒng)服務(wù)必須通過規(guī)定好的接口2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口n操作系統(tǒng)為用戶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)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口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、具體服務(wù)內(nèi)容和被操作對象等信息，這些信息將被傳輸給服務(wù)程序，以便滿足用戶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：接收用戶輸入的命令，并將其顯示在屏幕上l命令解釋程序：用戶核查無誤后，使用回車鍵

12、通知該程序開始分析指令和發(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：機器語言編寫的機器動作指令，由計算機硬件體系的各部件合作完成，該集合表征了計算機的功能2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口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l以“行”為單位順序保存了一個指令序列，該指令序列可以幫助用戶完成一個例行任務(wù)的快速執(zhí)行l(wèi)簡化操作、減少輸入次數(shù)、節(jié)省時間l可對指令流進(jìn)行簡單有效的定制l適合專業(yè)用戶使用：用戶必須按照指定格式和名稱申請系統(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)的用戶接口操作系統(tǒng)

13、的用戶接口n圖形用戶接口便于非專業(yè)用戶正確、方便的使用操作系統(tǒng)l使用圖形用戶界面的操作系統(tǒng)在執(zhí)行程序時，首先創(chuàng)建一個新的顯示區(qū)域，該區(qū)域稱為窗口，然后在該窗口中進(jìn)行指定程序的執(zhí)行l(wèi)用戶在使用窗口時可以根據(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，此時的鼠標(biāo)動作相當(dāng)于命令接口中的各種功能指令2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口l圖形用戶接口特點l可以簡單、便捷、直觀地使用操作系統(tǒng)的各項系統(tǒng)服務(wù)l拉近了計算機與普通用戶的距離，極大地促進(jìn)了計算機應(yīng)用的發(fā)展l縮短指令學(xué)習(xí)周期l幫助專業(yè)人員將更多的精力和時間放在更為重要的工作上去2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口n命令接口與

14、圖形接口的比較命令接口：優(yōu)勢在于對計算機資源的控制更為直接有效、系統(tǒng)與用戶的互動性更強、占用資源少、響應(yīng)時間短，可以用于實現(xiàn)更為復(fù)雜和特殊的計算機操控要求 圖形接口：具有美觀性、易用性、便捷性，利于非專業(yè)人士和無需控制系統(tǒng)環(huán)境的專業(yè)人士使用命令接口與圖形接口均用于人機交互2.2 操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口n程序接口 用戶程序中需要使用系統(tǒng)服務(wù)時必須使用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，為用戶提供服務(wù)l用戶程序：用于完成用戶自身任務(wù)，需要向系統(tǒng)提出資源申請并等待系統(tǒng)的審核分配，是服務(wù)的申請者操作系統(tǒng)的程序接口由一組能請求操作系統(tǒng)內(nèi)核完成特定功能的專用過

15、程調(diào)用組成，用戶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)控制程序運行 進(jìn)行I/O操作操作文件系統(tǒng) 實現(xiàn)通信 錯誤處理 n操作系統(tǒng)提供的公共函數(shù)資源分配統(tǒng)計管理和控制數(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控制程序運行系統(tǒng)通過服務(wù)將用戶程序裝入內(nèi)存并運行控制程序在規(guī)定時間內(nèi)結(jié)束將執(zhí)行過程中出現(xiàn)的錯誤和異常及時地報告給用戶或系統(tǒng)的其他錯誤處理程序n進(jìn)行I/O操作為保證各用戶合理、安全地共享設(shè)備資源，用戶不能直接控制設(shè)備，只能通過向系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備申請來請求系統(tǒng)代其處理，因此系統(tǒng)應(yīng)具有接收并解析設(shè)

16、備請求、完成請求工作、反饋設(shè)備工作結(jié)果給請求用戶等一系列的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用來管理、存取文件的機制，支持”按名存取“l(fā)OS為用戶提供根據(jù)文件名稱創(chuàng)建、訪問、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對于多個用戶，操作系統(tǒng)可將不同用戶的文件分別保護(hù)n實現(xiàn)通信當(dāng)多個程序合作完成一個大型任務(wù)時，通常需要借助通信來控制程序的執(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錯誤處理 在系統(tǒng)運行期間，各種級別的程序都有可能出現(xiàn)錯誤情況，嚴(yán)重者能造成系統(tǒng)崩潰操作系統(tǒng)通常都要設(shè)置錯誤檢查和處理機制，以便及時發(fā)現(xiàn)錯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)，用來幫助系統(tǒng)高效運行，確保用戶合理共享資源，并提高系統(tǒng)效率資源分配：管理特殊系統(tǒng)資源，確保用戶和系統(tǒng)之間、用戶之間不會產(chǎn)生資源共享沖突，并能完