1、2022-6-11第七章 操作系統接口1第七章第七章 操作系統接口操作系統接口n7.1 概述概述n7.2 命令接口命令接口n7.3 系統調用系統調用2022-6-11第七章 操作系統接口27.1 概述概述 操作系統接口負責用戶與計算機之間的交互：用戶通過操作系統接口負責用戶與計算機之間的交互：用戶通過操作系統接口操作系統接口向計算機提交服務需求，計算機通過用向計算機提交服務需求，計算機通過用操作操作系統接口系統接口向用戶提供用戶所需要的服務向用戶提供用戶所需要的服務 計算機系統用戶有兩類：計算機系統用戶有兩類： 一類是普通用戶（使用計算機的應用服務，以解決實一類是普通用戶（使用計算機的應用服務

2、，以解決實際應用問題際應用問題) )和管理員用戶（負責計算機和操作系統的正常和管理員用戶（負責計算機和操作系統的正常與安全運行）。與安全運行）。 另一類是程序開發人員（需要使用操作系統所提供的另一類是程序開發人員（需要使用操作系統所提供的編程功能開發新的應用程序，完成用戶所要求的服務）。編程功能開發新的應用程序，完成用戶所要求的服務）。2022-6-11第七章 操作系統接口3 操作系統為普通用戶、管理員用戶以及編程人員提供不同的操作系統為普通用戶、管理員用戶以及編程人員提供不同的用戶界面用戶界面-接口。接口。 操作系統為普通用戶、管理員用戶提供的界面由一組以不同操作系統為普通用戶、管理員用戶提

3、供的界面由一組以不同形式表示的操作命令組成形式表示的操作命令組成命令接口命令接口 每個命令實現和完成用戶所要求的特定功能和服務每個命令實現和完成用戶所要求的特定功能和服務 不同計算機操作系統為用戶提供的操作命令和表現形式不同，不同不同計算機操作系統為用戶提供的操作命令和表現形式不同，不同時期的操作系統為用戶提供的操作命令和表現形式也不同。而且，同時期的操作系統為用戶提供的操作命令和表現形式也不同。而且，同一操作系統為普通用戶與管理員用戶提供的命令也是不同的。一操作系統為普通用戶與管理員用戶提供的命令也是不同的。 操作系統為編程人員提供的界面是系統調用。不同操作系統操作系統為編程人員提供的界面是

4、系統調用。不同操作系統提供不同的系統調用。提供不同的系統調用。2022-6-11第七章 操作系統接口47.2 命令接口命令接口n操作系統為用戶提供兩種接口：操作系統為用戶提供兩種接口：命令接口命令接口、系統調用系統調用。用戶利用命令來組織和控制作業的執行，或管理計算機系統。用戶利用命令來組織和控制作業的執行，或管理計算機系統。編程人員使用系統調用來請求操作系統提供服務編程人員使用系統調用來請求操作系統提供服務。 使用操作命令進行作業控制的主要方式有兩種：脫機方式和使用操作命令進行作業控制的主要方式有兩種：脫機方式和聯機方式。聯機方式。脫機方式脫機方式：利用作業控制語言（作業控制命令）來編寫作業

5、說明書，以：利用作業控制語言（作業控制命令）來編寫作業說明書，以控制作業的執行和出錯處理。常用在批處理系統中，也稱它為控制作業的執行和出錯處理。常用在批處理系統中，也稱它為“批處理批處理方式方式”，而把采用批處理控制方式的作業稱為，而把采用批處理控制方式的作業稱為“批處理作業批處理作業”。 聯機方式聯機方式：用戶利用系統為其提供的一組鍵盤或其他操作方式命令，交：用戶利用系統為其提供的一組鍵盤或其他操作方式命令，交互地控制程序執行和管理計算機系統。互地控制程序執行和管理計算機系統。2022-6-11第七章 操作系統接口5聯機控制方式命令分類聯機控制方式命令分類 環境設置：用來改變終端用戶所在位置

6、、執行路徑環境設置：用來改變終端用戶所在位置、執行路徑等等 執行權限管理：用來控制用戶訪問系統和讀、寫、執行權限管理：用來控制用戶訪問系統和讀、寫、執行有關文件的權限。執行有關文件的權限。 系統管理：用于系統維護、開機與關機、增加或減系統管理：用于系統維護、開機與關機、增加或減少終端用戶、計時收費等。大部分為系統管理員使用少終端用戶、計時收費等。大部分為系統管理員使用 文件管理：用來管理和控制終端用戶的文件。文件管理：用來管理和控制終端用戶的文件。 編輯、編譯、鏈接裝配和執行編輯：用來幫助用戶編輯、編譯、鏈接裝配和執行編輯：用來幫助用戶輸入用戶文件。輸入用戶文件。2022-6-11第七章 操作

7、系統接口6聯機控制方式命令分類聯機控制方式命令分類 通信：用來進行主機和遠程終端之間的呼叫、聯接以及斷通信：用來進行主機和遠程終端之間的呼叫、聯接以及斷開等，從而在主機和終端之間建立會話信道。開等，從而在主機和終端之間建立會話信道。 資源要求：資源要求： 用戶使用該類命令向系統申請資源。用戶使用該類命令向系統申請資源。 現代操作系統中，大都提供批處理方式和聯機控制方式。現代操作系統中，大都提供批處理方式和聯機控制方式。批處理方式既指傳統的作業控制語言編寫的作業說明書方式，批處理方式既指傳統的作業控制語言編寫的作業說明書方式，也指那些把不同的交互命令按一定格式組合后的命令文件方也指那些把不同的交

8、互命令按一定格式組合后的命令文件方式。式。2022-6-11第七章 操作系統接口7 近年來，命令接口的人機交互方式發生了革命性變化。無近年來，命令接口的人機交互方式發生了革命性變化。無論是論是Windows系列，還是系列，還是UNIX系列的操作系統，它們的系列的操作系統，它們的命令接口都是由多窗口的按鈕式圖形界面組成。在這些系統命令接口都是由多窗口的按鈕式圖形界面組成。在這些系統中，命令已被開發成一條條能用鼠標點擊而執行的簡單的菜中，命令已被開發成一條條能用鼠標點擊而執行的簡單的菜單或小巧的圖標。而且，用戶也可以在提示符的提示下用普單或小巧的圖標。而且，用戶也可以在提示符的提示下用普通字符方式

9、輸入各種命令。用聲音控制的命令接口也已逐步通字符方式輸入各種命令。用聲音控制的命令接口也已逐步開發出來。計算機系統的命令接口將會越來越方便和越來越開發出來。計算機系統的命令接口將會越來越方便和越來越擬人化。擬人化。命令接口的發展2022-6-11第七章 操作系統接口87.3 系統調用系統調用n系統調用是操作系統提供給編程人員的唯一接口。系統調用是操作系統提供給編程人員的唯一接口。n編程人員利用系統調用，在源程序一級動態請求和釋放系統編程人員利用系統調用，在源程序一級動態請求和釋放系統資源，調用系統中已有的系統功能來完成那些與機器硬件部資源，調用系統中已有的系統功能來完成那些與機器硬件部分相關的

10、工作以及控制程序的執行速度等。分相關的工作以及控制程序的執行速度等。n操作系統內有事先編好的實現這些功能的子程序或過程。這操作系統內有事先編好的實現這些功能的子程序或過程。這些程序或過程是操作系統程序模塊的一部分，為保證操作系些程序或過程是操作系統程序模塊的一部分，為保證操作系統程序不被用戶程序破壞，系統調用統程序不被用戶程序破壞，系統調用不能直接被用戶程序調不能直接被用戶程序調用，而只能通過訪管指令來申請調用它們用，而只能通過訪管指令來申請調用它們。n系統中控制系統調用服務的機構稱為系統中控制系統調用服務的機構稱為陷阱（陷阱（traptrap）處理機構處理機構。n由于系統調用引起處理機中斷的

11、指令稱為由于系統調用引起處理機中斷的指令稱為陷阱指令陷阱指令（訪管指（訪管指令）。令）。2022-6-11第七章 操作系統接口9系統調用分類系統調用分類 設備管理設備管理：這類系統調用被用來請求和釋放設備，：這類系統調用被用來請求和釋放設備，以及啟動設備操作等。以及啟動設備操作等。 文件管理文件管理：這類系統調用包括創建、刪除文件，讀、：這類系統調用包括創建、刪除文件，讀、寫文件以及移動文件指針等。寫文件以及移動文件指針等。 進程控制進程控制：進程創建、進程執行、進程撤銷、執行：進程創建、進程執行、進程撤銷、執行等待和執行優先級控制等。等待和執行優先級控制等。2022-6-11第七章 操作系統

12、接口10 進程通信進程通信：進程間傳遞消息或信號的系統調用。：進程間傳遞消息或信號的系統調用。 存儲管理存儲管理：內存塊的申請、釋放，獲取作業占用：內存塊的申請、釋放，獲取作業占用內存塊的首址、大小等。內存塊的首址、大小等。 線程管理線程管理：線程的創建、調度、執行、撤銷等。：線程的創建、調度、執行、撤銷等。不同的系統提供不同的系統調用。不同的系統提供不同的系統調用。系統調用分類系統調用分類2022-6-11第七章 操作系統接口11 用戶在源程序中使用系統調用，并給出系統用戶在源程序中使用系統調用，并給出系統調用名和參數，即產生一條相應的陷阱指令，處調用名和參數，即產生一條相應的陷阱指令，處理

13、機在執行到這條指令后，引起處理機中斷，并理機在執行到這條指令后，引起處理機中斷，并發出有關信號給陷阱處理機構，該處理機構收到發出有關信號給陷阱處理機構，該處理機構收到信號后，啟動相關程序保護處理機現場，取系統信號后，啟動相關程序保護處理機現場，取系統調用功能號并尋找子程序入口，通過入口地址表調用功能號并尋找子程序入口，通過入口地址表找到該系統子程序并執行。執行完畢后，退出中找到該系統子程序并執行。執行完畢后，退出中斷，返回到用戶程序的斷點，恢復現場，繼續執斷，返回到用戶程序的斷點，恢復現場，繼續執行用戶程序。行用戶程序。系統調用的實現過程系統調用的實現過程2022-6-11第七章 操作系統接口

14、12陷入指令系統子程序sub 0A0sub 1A1sub nAnsub iAi.陷入處理機構1)保護處理機現場2)取系統調用功能號并尋找子程序入口3)恢復處理機現場并返回入口地址表A0A2Ai.An.系統調用.用戶程序系統調用的處理過程系統調用的處理過程2022-6-11第七章 操作系統接口13系統調用的參數傳遞問題系統調用的參數傳遞問題 系統調用有時需要傳遞給系統子程序以不同的參數。而且系統調用有時需要傳遞給系統子程序以不同的參數。而且系統調用的執行結果也要以參數形式返回給用戶程序。那么，系統調用的執行結果也要以參數形式返回給用戶程序。那么，怎樣實現用戶程序和系統程序之間的參數傳遞呢？怎樣實

15、現用戶程序和系統程序之間的參數傳遞呢？ 由陷阱指令自帶參數。一般來說，一條陷阱指令的長度總由陷阱指令自帶參數。一般來說，一條陷阱指令的長度總是有限的，而且，該指令還要攜帶一個系統調用的功能號，是有限的，而且，該指令還要攜帶一個系統調用的功能號，因此，陷阱指令只能自帶極有限的幾個參數進入系統內部。因此，陷阱指令只能自帶極有限的幾個參數進入系統內部。 通過有關通用寄存器來傳遞參數。這些寄存器應是系統程通過有關通用寄存器來傳遞參數。這些寄存器應是系統程序和用戶程序都能訪問的。不過，寄存器長度也是較短的。序和用戶程序都能訪問的。不過，寄存器長度也是較短的。從而無法傳遞較多的參數。因此，在系統調用較多的

16、系統中，從而無法傳遞較多的參數。因此，在系統調用較多的系統中，大多在內存中開辟專用堆棧區來傳遞參數。大多在內存中開辟專用堆棧區來傳遞參數。2022-6-11第七章 操作系統接口14用戶態和系統態用戶態和系統態 在系統發生訪管中斷時，為了不讓用戶程序直接訪問系在系統發生訪管中斷時，為了不讓用戶程序直接訪問系統程序，反映處理機硬件狀態的處理機狀態字統程序，反映處理機硬件狀態的處理機狀態字PSWPSW中相應位中相應位要從用戶執行模式轉換為系統執行模式。這一轉換在發生要從用戶執行模式轉換為系統執行模式。這一轉換在發生訪管中斷時由硬件自動實現。訪管中斷時由硬件自動實現。 處理機在用戶程序中執行稱為處理機

17、在用戶程序中執行稱為用戶態用戶態。 處理機在系統程序中執行稱為處理機在系統程序中執行稱為系統態系統態。2022-6-11第七章 操作系統接口15系統調用與過程調用的系統調用與過程調用的相同點相同點 改變指令流程改變指令流程 重復執行和公用重復執行和公用 改變指令流程后需要返回原處改變指令流程后需要返回原處2022-6-11第七章 操作系統接口16系統調用與一般過程調用的區別系統調用與一般過程調用的區別n運行在不同的系統狀態運行在不同的系統狀態 n一般過程調用，其調用程序和被調用程序都運行在相同狀一般過程調用，其調用程序和被調用程序都運行在相同狀態：核心態或用戶態態：核心態或用戶態n系統調用：調

18、用程序在用戶態，被調用程序在系統態系統調用：調用程序在用戶態，被調用程序在系統態n狀態的轉換狀態的轉換n一般的過程調用不涉及系統狀態的轉換，可直接由調用過一般的過程調用不涉及系統狀態的轉換，可直接由調用過程轉向被調用過程程轉向被調用過程n運行系統調用時，調用和被調用過程在不同系統狀態，不運行系統調用時，調用和被調用過程在不同系統狀態，不允許由調用過程直接轉向被調用過程允許由調用過程直接轉向被調用過程n通過軟中斷機制先由用戶態轉換為核心態通過軟中斷機制先由用戶態轉換為核心態n在在OSOS核心分析后，轉向相應的系統調用處理子程序核心分析后，轉向相應的系統調用處理子程序2022-6-11第七章 操作

19、系統接口17n同一程序中不包含被調用代碼同一程序中不包含被調用代碼n系統調用是動態調用，程序中不包含被調用代碼，好處：系統調用是動態調用，程序中不包含被調用代碼，好處：n（1 1）用戶程序長度縮短）用戶程序長度縮短n（2 2）當）當OSOS升級時，調用方不必改變升級時，調用方不必改變n系統調用方式的調用地址和返回地址都是不固定的（系系統調用方式的調用地址和返回地址都是不固定的（系統調用指令中不包含調用地址，只包含功能號；系統調統調用指令中不包含調用地址，只包含功能號；系統調用返回指令中不包括返回地址，通過棧保存和彈出返回用返回指令中不包括返回地址，通過棧保存和彈出返回地址，系統調用返回地址不固

20、定）地址，系統調用返回地址不固定）系統調用與一般過程調用的區別系統調用與一般過程調用的區別2022-6-11第七章 操作系統接口18返回問題返回問題n一般過程調用在被調用過程執行完后，回調用過程一般過程調用在被調用過程執行完后，回調用過程n搶占式調度的系統中，被調用過程執行完后，系統將對所有搶占式調度的系統中，被調用過程執行完后，系統將對所有要求運行的進程進行優先級分析。如果調用進程仍有最高優要求運行的進程進行優先級分析。如果調用進程仍有最高優先級，則返回到調用進程執行；否則，引起重新調度，讓優先級，則返回到調用進程執行；否則，引起重新調度，讓優先級最高的進程優先執行。此時，系統把調用進程放入就緒先級最高的進程優先執行