第3章 用戶接口

第3章操作系統(tǒng)的用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口用戶工作環(huán)境運行一個應(yīng)用程序的過程操作系統(tǒng)用戶界面系統(tǒng)功能調(diào)用Linux系統(tǒng)功能調(diào)用1操作系統(tǒng)的用戶接口——主要內(nèi)容用戶工作環(huán)境操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境2用戶身份合法性檢查用戶工作區(qū)：操作命令語言操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境1.如何形成用戶工作環(huán)境(1)系統(tǒng)提供各種硬件、軟件資源(2)設(shè)計并提供使用方便的命令集合(3)將OS裝入計算機并初始化，形成可供使用的工作環(huán)境2.兩種形式的用戶工作環(huán)境(1)交互工作環(huán)境(2)批量工作環(huán)境作業(yè)控制語言3將操作系統(tǒng)的必要部分裝入主存并對系統(tǒng)進行初始化工作，最終使系統(tǒng)處于命令接收狀態(tài)。操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境3.系統(tǒng)生成(1)系統(tǒng)生成是指在一臺裸機上（或者安裝新的操作系統(tǒng)）安裝操作系統(tǒng)的過程。(2)一般情況下，系統(tǒng)生成的工作是由系統(tǒng)程序員來完成的，在系統(tǒng)生成的過程中涉及到機器的硬件配置和操作系統(tǒng)核心參數(shù)的設(shè)置。還涉及軟件系統(tǒng)的版權(quán)的問題(3)在微機上的系統(tǒng)生成是用戶自己完成的，比如安裝WINDOWS98、LINUX、MINIX、UNIX。4.操作系統(tǒng)的初啟(1)系統(tǒng)引導(dǎo)的任務(wù)4OS核心文件存儲在系統(tǒng)本身的存儲設(shè)備中，由系統(tǒng)自己將OS核心程序讀入主存并運行，建立一個操作環(huán)境。適用于微機和大多數(shù)系統(tǒng)OS主要文件不放在系統(tǒng)本身的存儲設(shè)備中，在系統(tǒng)啟動后執(zhí)行下裝操作，從另外的計算機系統(tǒng)中將操作系統(tǒng)常駐部分傳送到該計算機中，使它形成一個操作環(huán)境。適用于多計算機系統(tǒng)、由主控機與前端機構(gòu)成的系統(tǒng)以及分布式系統(tǒng)。①現(xiàn)場獨立引導(dǎo)方式(滾雪球方式、bootup)

②輔助下裝方式

(download)(2)系統(tǒng)引導(dǎo)的方式操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境5①初始引導(dǎo)系統(tǒng)加電,執(zhí)行系統(tǒng)初啟程序。(該程序存在非易失內(nèi)存中的指定位置。PC：0xffff:0000)；初啟程序?qū)ο到y(tǒng)硬件和配置進行自檢，保證系統(tǒng)沒有硬件錯誤；從硬盤中讀入操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，并將控制權(quán)交給該程序模塊。0X7C00(3)獨立引導(dǎo)方式(滾雪球方式)的過程操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境6主引導(dǎo)塊

磁盤的第一個物理塊。512byte的程序和數(shù)據(jù)，確定活動磁盤分區(qū)。這一部分代碼也可以是只負責裝入引導(dǎo)裝入程序（如lilo），再由后者裝入OS。引導(dǎo)塊

每個邏輯磁盤的第一個物理塊。②引導(dǎo)程序執(zhí)行引導(dǎo)程序執(zhí)行，將操作系統(tǒng)核心文件讀入內(nèi)存，并將控制交給核心的初始化程序。

操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境7③核心初始化

初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)系統(tǒng)加電建立進程有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；獲得自由存儲空間的容量，建立存儲管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

；建立系統(tǒng)設(shè)備和文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；初始化時鐘。④系統(tǒng)初始化完善OS的操作環(huán)境，裝載命令處理程序(或圖形用戶界面)，并初始化；在多用戶系統(tǒng)中，為每個終端建立命令解釋進程，使系統(tǒng)處于命令接收狀態(tài)。操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境8ROMBIOS自檢運行裝入系統(tǒng)盤中的主引導(dǎo)塊裝入活動OS引導(dǎo)塊裝入OSOS初始化形成用戶界面(4)PC初啟操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境9BIOS引導(dǎo)程序主引導(dǎo)塊IO.SYS(I/O初始化）DOS.SYS(文件系統(tǒng)，簡單內(nèi)存初始化)COMMAND.COM(簡單任務(wù)管理)C:\>（5）DOS啟動操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境10Linux系統(tǒng)是以滾雪球的方式啟動加電或復(fù)位→BIOS的啟動→BootLoader→OS初始化①系統(tǒng)加電或復(fù)位上電自檢；對硬件設(shè)備進行檢測和連接，并將測得的數(shù)據(jù)送入BIOS數(shù)據(jù)區(qū)；對主存中所有的數(shù)據(jù)清零，對內(nèi)存進行校驗，若無錯，BIOS入口→CS：IP。（6）Linux系統(tǒng)初啟操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境11②BIOS啟動

在ROM中的引導(dǎo)程序放在固定位置：FFFF：0000CPU從這里開始執(zhí)行。從盤中讀入BootLoader(引導(dǎo)程序)。從硬盤啟動時，讀入零柱面零磁道1扇區(qū)MBR(MasterBootRecord)，將控制權(quán)交BootLoader。③Loader(引導(dǎo)程序)功能：將OS讀入內(nèi)存，并將控制權(quán)交給OS的初始化程序。grub/lilo等操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境12④系統(tǒng)核心初始化(Setup.s)

Setup的工作檢查調(diào)入內(nèi)存中的代碼；獲取內(nèi)存容量信息，設(shè)置設(shè)備模式；屏蔽中斷，準備進入保護模式；設(shè)置中斷描述符表(idt)，全局描述符表(gdt)；控制權(quán)交給Heads。Heads的工作對中斷向量表作準備工作；檢查CPU類型；調(diào)用Setup_paging進行頁面初始化；調(diào)用main.c中的Start_kernel()。操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境13Start_kernel()的工作對與CPU、內(nèi)存等最基本硬件相關(guān)部分進行初始化；對中斷向量表進行初始化；為進程調(diào)度程序作準備；設(shè)置基準時鐘；內(nèi)核的內(nèi)存分配；對文件系統(tǒng)進行初始化；建立init進程。init進程對每一個聯(lián)機終端建立“getty”進程，getty在終端上顯示“l(fā)ogin”，等待用戶登錄。操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶工作環(huán)境應(yīng)用程序的處理操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理141.作業(yè)、作業(yè)步

(1)作業(yè)計算機系統(tǒng)按指定步驟對初始數(shù)據(jù)進行處理并得到計算結(jié)果的加工工作。

(2)作業(yè)步加工工作中的一個步驟稱為作業(yè)步。操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理152.處理應(yīng)用程序的步驟

(1)編輯建立一個新文件，或?qū)σ延械奈募械腻e誤進行修改。

(2)編譯將源程序翻譯成浮動的目標代碼。操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理(3)連接主程序和其他所需要的子程序和例行程序連接裝配在一起，使之成為一個可執(zhí)行的、完整的主存映像文件。(4)運行將主存映像文件調(diào)入主存，啟動運行，得出計算結(jié)果。16編譯器或匯編器目標模塊源程序其他目標模塊主存中運行動態(tài)裝入的系統(tǒng)庫編譯時間連接裝配時間動態(tài)鏈接加載運行時間連接裝配程序主存映像文件應(yīng)用程序處理步驟示意圖應(yīng)用程序處理步驟操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理172.連接類型(1)靜態(tài)連接一個源程序經(jīng)編譯后，生成一個可重定位的目標模塊，并產(chǎn)生內(nèi)部符號表和外部符號表，供連接程序(Link)使用。①內(nèi)部符號表本模塊可以被其他程序調(diào)用的入口點。②外部調(diào)用表本模塊要調(diào)用的外部的程序模塊名。操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理18③連接需要做的工作將各模塊連接成為一個整體；構(gòu)造全程符號表，在其中填寫模塊的邏輯地址；查找各程序段的外部調(diào)用表，填入對應(yīng)調(diào)用函數(shù)的地址。④靜態(tài)連接的缺點靜態(tài)連接將所需的外部函數(shù)鏈接到目標文件中形成為一個可執(zhí)行文件。若多個應(yīng)用程序都調(diào)用了同一個庫中的外部函數(shù)，那么，多個應(yīng)用程序的目標文件中都會包含這個外部函數(shù)對應(yīng)的代碼。操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理19(2)動態(tài)連接

動態(tài)連接不需要將外部函數(shù)鏈接到目標文件中。而是在應(yīng)用程序中需要調(diào)用外部函數(shù)的地方作記錄，并說明要使用的外部函數(shù)名和引用入口號?！纬珊瘮?shù)調(diào)用鏈表

所需支持——DLL(動態(tài)鏈接庫)當Windows的裝載程序?qū)?yīng)用程序和DLL裝入主存后，裝載程序會遍歷函數(shù)調(diào)用鏈表，將DLL中函數(shù)在主存的入口(段：偏移)填入鏈表中的每個結(jié)點。操作系統(tǒng)的用戶接口——應(yīng)用程序的處理用戶接口操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶接口201.什么是操作系統(tǒng)的用戶界面操作系統(tǒng)的用戶界面(或稱接口)是操作系統(tǒng)提供給用戶與計算機打交道的外部機制。用戶能夠借助這種機制和系統(tǒng)提供的手段來控制用戶所在的系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶接口

操作系統(tǒng)用戶通過操作系統(tǒng)使用計算機示意圖212.操作系統(tǒng)提供的用戶界面(1)操作界面(命令接口)用戶使用操作界面來組織工作流程和控制程序的運行。

(2)

系統(tǒng)功能服務(wù)界面(程序接口)用戶程序在其運行過程中，使用系統(tǒng)功能調(diào)用來請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。

操作命令：

作業(yè)控制語言鍵盤命令圖形界面

操作系統(tǒng)系統(tǒng)功能調(diào)用操作系統(tǒng)提供的用戶接口示意圖操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶接口223.操作命令與操作系統(tǒng)類型的關(guān)系(1)作業(yè)控制語言──

批處理操作系統(tǒng)(2)鍵盤命令──

分時操作系統(tǒng)

個人計算機操作系統(tǒng)(3)圖形用戶界面──

分時操作系統(tǒng)

個人計算機操作系統(tǒng)

實際操作系統(tǒng):MS-DOSWindowsLinux(UNIX)提供什么樣的用戶界面?操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶接口234.實例操作系統(tǒng)提供的用戶界面

(1)MS-DOS──

鍵盤命令系統(tǒng)功能調(diào)用

(2)Windows

──

圖形用戶界面系統(tǒng)功能調(diào)用

(3)Linux(UNIX)─

鍵盤命令(XWindow)系統(tǒng)功能調(diào)用操作系統(tǒng)的用戶接口——用戶接口系統(tǒng)功能調(diào)用操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用241.什么是系統(tǒng)功能調(diào)用(1)操作如何為用戶提供服務(wù)

操作系統(tǒng)提供實現(xiàn)各種功能的例行子程序。應(yīng)用程序i

系統(tǒng)調(diào)用

中央處理機存儲器外部設(shè)備應(yīng)用程序計算機系統(tǒng)部件系統(tǒng)功能調(diào)用示意圖操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用25(2)如何調(diào)用操作服務(wù)功能

①采用統(tǒng)一進管方式——

系統(tǒng)提供訪管指令、訪管中斷

顯示一個字符串讀文件

應(yīng)用程序j

read();

操作系統(tǒng)統(tǒng)功能模塊②訪管指令(自愿進管指令)

svcn

svc表示機器訪管指令的操作碼記憶符，n為地址碼(功能號)系統(tǒng)功能調(diào)用示意圖操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用26③訪管中斷

當處理機執(zhí)行到訪管指令時發(fā)生中斷，該中斷稱為訪管中斷，它表示正在運行的程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的某種需求。

操作系統(tǒng)提供實現(xiàn)各種功能的例行子程序，其中的每一個功能對應(yīng)訪管指令的一個功能號。例如：

svc0顯示一個字符

svc1打印一個字符串

(3)什么是系統(tǒng)功能調(diào)用系統(tǒng)功能調(diào)用是用戶在程序一級請求操作系統(tǒng)服務(wù)的一種手段，它是帶有一定功能號的“訪管指令”。其功能是由操作系統(tǒng)中的程序完成的，即由軟件方法實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用274.系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)

a1a0┇ai例行子程序入口地址表A+0A+1┇A+i保護現(xiàn)場；取i值；按i值轉(zhuǎn)移；

恢復(fù)現(xiàn)場；訪管中斷處理程序

svci

用戶程序+ASubmam例行子程序Sub0Sub1Subi┇a0a1ai┇系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用(1)實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用必須完成的工作

編寫各服務(wù)功能的例行子程序訪管中斷處理程序：保護現(xiàn)場、調(diào)用例行子程序、恢復(fù)現(xiàn)場構(gòu)造例行子程序的入口地址表

：功能號與例行服務(wù)子程序一一對應(yīng)。用戶程序中安排訪管指令

：intn

(2)參數(shù)傳遞問題由陷入指令自帶參數(shù)：陷入指令的長度有限，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的，由于寄存器個數(shù)限制，無法傳遞較多的參數(shù)在內(nèi)存中開辟專用堆棧區(qū)來傳遞參數(shù)28操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用(3)系統(tǒng)調(diào)用與一般過程調(diào)用的區(qū)別

系統(tǒng)調(diào)用方式（INT）與程序中一般的調(diào)用方式的相同點改變指令流程重復(fù)執(zhí)行和公用改變指令流程后需要返回原處系統(tǒng)調(diào)用方式（INT）與程序中一般的調(diào)用方式的不同點運行在不同的系統(tǒng)狀態(tài) 過程調(diào)用：調(diào)用前后狀態(tài)相同，用戶態(tài)或核態(tài) 系統(tǒng)調(diào)用：INT指令，用戶態(tài)→核態(tài)返回問題

過程調(diào)用：正常返回調(diào)用過程 系統(tǒng)調(diào)用：可能引起進程調(diào)度系統(tǒng)調(diào)用命令中，同一程序中不包含被調(diào)用代碼：好處？系統(tǒng)調(diào)用涉及到PSW：狀態(tài)管理、標志寄存器29操作系統(tǒng)的用戶接口——系統(tǒng)功能調(diào)用(4)系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)

系統(tǒng)調(diào)用代碼屬于OS，庫函數(shù)由軟件開發(fā)商提供，由編譯工具鏈入用戶程序。系統(tǒng)調(diào)用代碼的執(zhí)行引起CPU狀態(tài)的變化：用戶態(tài)核心態(tài)庫函數(shù)的執(zhí)行不會引起CPU狀態(tài)的變化：用戶態(tài)30Linux的系統(tǒng)功能調(diào)用Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用311.Linux系統(tǒng)功能調(diào)用的過程在Linux系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用通過異常類型實現(xiàn)；當執(zhí)行了int0x80指令而發(fā)生的軟件中斷；系統(tǒng)自動將用戶態(tài)切換為核心態(tài)來處理該事件，執(zhí)行自陷處理程序(系統(tǒng)調(diào)用處理程序)。Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用32(1)系統(tǒng)功能調(diào)用過程abc();

abc();

{syscall;

}system_call:sys_abc

SYSEXITsysabc(){

}用戶態(tài)核心態(tài)用戶程序系統(tǒng)調(diào)用

在libc標準庫中的封裝例程系統(tǒng)調(diào)用處理程序系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程Linux系統(tǒng)調(diào)用過程Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用33(2)例：getuid系統(tǒng)調(diào)用過程intmain(){getuid();

}intgetuid(void)

{long_res;int$0x80;

}ENTRY(system_call)pushl%esxSAVE_ALLGET_CURRENT(%ebx)

callsys_getuid16

RESTORE_ALLasmlinkagelongsys_getuid16(void){returnhigh2lowuid(current_uid);}用戶程序系統(tǒng)調(diào)用處理程序標準C庫內(nèi)核例程getuid系統(tǒng)調(diào)用過程Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用例：sethostname函數(shù)原型：

sethostname(constchar*name,size_tlen);功能：設(shè)置計算機的主機名。參數(shù)：

name：主機名

len:name字符串的長度

返回：0，成功；-1，失敗。

副作用34用戶空間調(diào)用情況

sethostname是libc庫中的一個庫函數(shù)，實際的系統(tǒng)調(diào)用在該函數(shù)中發(fā)出。libc.a反匯編35進入函數(shù)sethostname后堆棧指針%esp情況：指向返回地址%esp+8：參數(shù)name %esp+4：參數(shù)len0x4a：sethostname的系統(tǒng)調(diào)用號36系統(tǒng)內(nèi)核情況

通過寄存器傳送參數(shù)

INT80執(zhí)行時引出中斷處理程序system_call();

代碼在arch/i386/kernel/entry.S中37

ENTRY(system_call) pushl%eax#saveorig_eax系統(tǒng)調(diào)用號進堆棧 SAVE_ALL #保留現(xiàn)場 GET_CURRENT(%ebx)#%ebx指向當前PCB testb$0x02,tsk_ptrace(%ebx)#檢查標志位 jnetracesys cmpl$(NR_syscalls),%eax #功能號是否合法？ jaebadsys callSYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4) #調(diào)用跳轉(zhuǎn)表中相應(yīng)函數(shù) movl%eax,EAX(%esp)#savethereturnvalue38392.Linux系統(tǒng)功能調(diào)用的實現(xiàn)機制(1)Linux系統(tǒng)調(diào)用的進入 ①Linux系統(tǒng)的軟中斷指令是int0x80匯編語言指令②該指令的執(zhí)行會發(fā)生中斷③處理機的狀態(tài)由用戶態(tài)自陷到內(nèi)核態(tài)④從system_call()開始執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用處理程序。⑤當系統(tǒng)調(diào)用處理完畢后，通過iret匯編語言指令返回到用戶態(tài)。Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用40(2)系統(tǒng)調(diào)用號 ①linux中，每個系統(tǒng)調(diào)用被賦予一個唯一的系統(tǒng)調(diào)用號

②系統(tǒng)調(diào)用號定義在include/asm-i386/unistd.h頭文件中

③系統(tǒng)調(diào)用號格式如下

#define__NR_restart_syscall0#define__NR_exit 1#define__NR_fork 2#define__NR_read 3#define__NR_write 4#define__NR_open 5……………………#define__NR_mq_getsetattr282

Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用41(3)系統(tǒng)調(diào)用表 ①

系統(tǒng)調(diào)用表記錄了內(nèi)核中所有已注冊過的系統(tǒng)調(diào)用，它是系統(tǒng)調(diào)用的跳轉(zhuǎn)表。

②

系統(tǒng)調(diào)用表是一個函數(shù)指針數(shù)組，表中依次保存所有系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)指針③

Linux系統(tǒng)調(diào)用表保存在arch/i386/kernel/下的entry.S中或arch/x86/kernel/syscall_table_32.s中Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用42④

系統(tǒng)調(diào)用表格式如下

ENTRY(sys_call_table) .longsys_restart_syscall/*0*/ .longsys_exit/*1*/ .longsys_fork /*2*/ .longsys_read /*3*/ .longsys_write /*4*/ .longsys_open /*5*/…………………… .longsys_mq_getsetattr/*282*/Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用43(4)系統(tǒng)調(diào)用處理程序

系統(tǒng)調(diào)用處理程序是system_call()，主要工作如下宏SAVE_ALL保護現(xiàn)場；正確性檢查；依eax中所包含的系統(tǒng)調(diào)用號，調(diào)用其對應(yīng)的服務(wù)例程；系統(tǒng)服務(wù)例程結(jié)束時，通過宏RESTORE_ALL恢復(fù)寄存器；最后通過iret指令返回。Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用443.增加一個新的系統(tǒng)功能調(diào)用的方法(1)添加新的服務(wù)例程

①

在/usr/src/linux/kernel/sys.c文件中增加一個新的函數(shù)，該函數(shù)的名字是sys_mysyscall②例：一個簡單的系統(tǒng)調(diào)用，其功能是返回一個整型值asmlinkageintsys_mycall(intnumber){returnnumber;}Linux系統(tǒng)——Linux系統(tǒng)功能調(diào)用45(2)增加新的系統(tǒng)功能調(diào)用號

①在文件include/asm-i386/unistd.h中添加一項#define__NR_mysyscallXX②XX為新增加的系統(tǒng)調(diào)用號，此數(shù)字選一未用值。③例#define__NR_restart_syscall0#define__NR_exit 1……………………#define__NR_mq_ge