操作系统接口.ppt

第九章操作系统接口,9.1用户和OS之间的接口9.2系统调用的概念和类型9.3UNIX系统调用9.4系统调用的实现,9.1用户和OS之间的接口,用户与操作系统的接口通常可分为两大类：(1)用户接口。它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务；(2)程序接口。它是提供给程序员在编程时使用的接口，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。,9.1.1用户接口（操作员接口，命令接口）,(1)联机用户接口（交互式用户接口）。(2)脱机用户接口（批处理用户接口）。,1.字符显示式联机用户接口,由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成。当用户在终端或控制台上每键入一条命令后，系统便立即转入命令解释程序，对该命令加以解释并执行该命令。在完成指定功能后，控制又返回到终端或控制台上，等待用户键入下一条命令。这样，用户可通过先后键入不同命令的方式，来实现对作业的控制，直至作业完成。,（1）命令行方式（2）批命令方式,2.图形化联机用户接口,图形用户接口(GUI)采用了图形化的操作界面，使用WIMP技术，该技术将窗口(Window)、图标(Icon)、菜单(Menu)、鼠标(Pointingdevice)和面向对象技术等集成在一起，引入形象的各种图标，将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来，形成一个图文并茂的视窗操作环境。,3.脱机用户接口,由一组作业控制语言（JCL）组成。脱机用户不能直接干预作业的运行，而必须事先把要求系统所做的工作用相应的作业控制命令写成一份作业说明书，连同作业一起提交给系统。当系统调度到该作业运行时，由命令解释程序对其操作说明书上的命令逐条解释执行。若执行中出现异常，也根据作业说明书上的指示进行干预。直至遇到作业结束语句，就停止作业运行。,该接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成，每一个系统调用都是一个能完成特定功能的子程序，每当应用程序要求OS提供某种服务(功能)时，便调用具有相应功能的系统调用。,9.1.2程序接口（程序员接口）,早期的系统调用都是用汇编语言提供的，只有在用汇编语言书写的程序中才能直接使用系统调用；但在高级语言以及C语言中，往往提供了与各系统调用一一对应的库函数。但在近几年所推出的操作系统中，如UNIX、OS/2版本中，其系统调用本身已经采用C语言编写，并以函数形式提供。,9.2系统调用的概念和类型9.2.1系统调用的基本概念,1.特权指令和非特权指令,特权指令是指不允许用户程序中直接使用的指令，是关系到系统全局的指令。其对内存空间的访问范围基本不受限制，不仅能访问用户存储空间，也能访问系统存储空间。,包括I/O指令、设置系统时钟时间、关中断、清主存、修改存储器管理寄存器、执行停机指令、转换执行状态等。,非特权指令只能完成一般性的操作和任务，不能对系统中的硬件和软件直接进行访问，其对内存的访问范围也局限于用户空间。,2.管态和目态,管态（系统态、核心态）：当CPU处于管态时可执行包括特权指令在内的一切机器指令。当OS程序占用中央处理器时应让CPU在管态工作。,目态（用户态）：不允许执行特权指令。当应用程序占用中央处理器时应让CPU在目态工作。,3.系统调用,一方面，系统提供了保护机制，防止应用程序直接调用OS的过程，从而避免了系统的不安全性；另一方面，应用程序又必须取得OS所提供的服务。,系统调用是操作系统提供的一组用于实现各种系统功能的子程序(过程)，并将它们提供给应用程序调用。,系统调用是一种特殊的过程调用，通常由特殊的机器指令实现。除了提供对操作系统子程序的调用外，这个指令还将系统转入特权方式。,当应用程序中需要操作系统提供服务时，使用系统调用命令。由操作系统捕获到该命令后，便将CPU的状态从用户态转换到系统态，然后执行操作系统中相应的子程序(例程)，完成所需的功能。执行完成后，系统又将CPU状态从系统态转换到用户态，再继续执行应用程序。,系统调用与一般的过程调用有下述几方面的明显差别：,运行在不同的系统状态。系统调用中，调用程序是运行在用户态，而被调用程序是运行在系统态。一般的过程调用，其调用程序和被调用程序都运行在相同的状态系统态或用户态。,状态的转换。系统调用中，状态的转换通过软中断进入。由于一般的过程调用并不涉及到系统状态的转换，可直接由调用过程转向被调用过程。,返回问题。系统调用中，在被调用过程执行完后，不一定返回原进程执行。但一般的过程调用仍返回原进程。,嵌套调用。系统调用中，每个系统对嵌套调用的深度都有一定的限制，例如最大深度为6。但一般的过程对嵌套的深度则没有什么限制。,系统功能的调用,9.2.2系统调用的类型,1.进程控制类系统调用(1)创建和终止进程的系统调用。(2)获得和设置进程属性的系统调用。(3)等待某事件出现的系统调用。,2.文件操纵类系统调用(1)创建和删除文件。(2)打开和关闭文件的系统调用。(3)读和写文件的系统调用。,3.进程通信类系统调用在单处理机系统中，OS经常采用消息传递方式和共享存储区方式。,4.其它系统调用除上述的三类外，常用的系统调用还包括设备管理类系统调用和信息维护类系统调用，前者主要用于实现申请设备、释放设备、设备I/O和重定向、获得和设置设备属性、逻辑上连接和释放设备等功能，后者主要用来获得包括有关系统和文件的时间、日期信息、操作系统版本、当前用户以及有关空闲内存和磁盘空间大小等多方面的信息。,9.3UNIX系统调用,9.3.1进程控制1.进程的创建和终止(1)创建进程(fork)。(2)终止进程(exit)。2.改变进程映像和等待(1)执行一个文件(exec)。(2)等待子进程结束(wait)。3.其它进程调用(1)获得进程ID。(2)获得用户ID。(3)进程暂停(pause)。,9.3.2文件操纵,1.文件的创建(creat)2.文件的打开和关闭(1)打开文件(open)。(2)关闭文件(close)。3.文件的读和写(read，write)4.建立与文件的连接和去连接(1)连接(link)。(2)去连接(unlink)。,9.3.3进程通信和信息维护,1.进程通信(1)消息机制。(2)共享存储器机制。(3)信号量机制。2.信息维护(1)设置和获得时间(stime，time)。(2)获得进程和子进程时间(times)。(3)设置文件访问和修改时间(utime)。(4)获得当前UNIX系统的名称(uname)。,9.4系统调用的实现,系统调用的实现与一般过程调用的实现相比，两者间有很大差异。对于系统调用，控制是由原来的用户态转换为系统态，这是借助于陷入机制来完成的，在该机制中包括陷入硬件机构及陷入处理程序两部分。,9.4.1系统调用号和参数的设置,1.系统调用号的传递,在一个系统中赋予每条系统调用一个唯一的系统调用号。在系统调用命令(陷入指令)中把相应的系统调用号传递给中断和陷入机制的方法有：,（1）直接把系统调用号放在系统调用命令(陷入指令)中，如IBM370和早期的UNIX系统，是把系统调用命令的低8位用于存放系统调用号。,（2）将系统调用号装入某指定寄存器或内存单元中，如MS-DOS是将系统调用号放在AH寄存器中，Linux则是利用EAX寄存器来存放应用程序传递的系统调用号。,(1)陷入指令自带方式。陷入指令除了携带一个系统调用号外，还要自带几个参数进入系统内部，由于一条陷入指令的长度是有限的，因此自带的只能是少量的、有限的参数。,2.系统调用参数的设置,(2)直接将参数送入相应的寄存器中。由于这种寄存器数量有限，因而限制了所设置参数的数目。,MS-DOS采用这种方式，即用MOV指令将各个参数送入相应的寄存器中。,(3)参数表方式。将系统调用所需的参数放入一张参数表中，再将指向该参数表的指针放在某个指定的寄存器中。,UNIX系统和Linux系统，便采用了这种方式。,直接参数方式：所有的参数值和参数的个数N，都放入一张参数表中。,间接参数方式：参数表中仅存放参数个数和指向真正参数数据表的指针。,9.4.2系统调用的处理步骤,在设置了系统调用号和参数后，便可执行一条系统调用命令。,UNIX：CHMK命令MS-DOS：INT21H,其次，是分析系统调用类型，转入相应的系统调用处理子程序。,首先，将处理机状态由用户态转为系统态；之后，由硬件和内核程序进行系统调用的一般性处理，即首先保护被中断进程的CPU环境，将处理机状态字PSW、程序计数器PC、系统调用号、用户栈指针以及通用寄存器内容等，压入堆栈；然后，将用户定义的参数传送到指定的地址保存起来。,最后，在系统调用处理子程序执行完后，应恢复被中断的或设置新进程的CPU现场，然后返回被中断进程或新进程，继续往下执行。,9.4.3系统调用处理子程序的处理过程,系统调用的功能主要是由系统调用子程序来完成的。对于不同的系统调用，其处理程序将执行不同的功能。,进入Creat的处理子程序后，核心将根据用户给定的文件路径名Path，利用目录检索过程去查找指定文件的目录项。,Creat命令的处理过程：,如果在文件目录中找到了指定文件的目录项