計算機操做系統概述2

操做系統控制計算機

計算機系統操做方式

OS規定了合理操做計算機的工做流程，OS的操做接口——系統程序，OS提供給用戶的功能級接口，爲用戶提供的解決操做計算機和計算共性問題的全部服務的集合，OS的兩類做業級接口：脫機做業控制方式，做業控制語言；聯機做業控制方式，操做控制命令

脫機做業控制方式

• OS：提供做業說明語言
• 用戶：編寫做業說明書，肯定做業加工控制步驟，並與程序數據一併提交
• 操做員：經過控制檯輸入做業
• OS：經過做業控制程序自動控制做業的執行
• 例：批處理OS的做業控制方式，UNIX的shell程序，DOS的bat文件

聯機做業控制方式

• 計算機：提供終端（鍵盤/顯示器）
• 用戶：登陸系統
• OS：提供命令解釋程序
• 用戶：聯機輸入命令，直接控制做業步的執行
• 例：分時OS的交互控制方式

命令解釋程序

命令解釋程序：接受和執行一條用戶提出的對做業的加工處理命令，當一個新的批做業被啓動，或新的交互型用戶登陸進系統時，系統就自動地執行命令解釋程序，負責讀入控制卡或命令行，做出相應解釋，並予以執行，會話語言：可編程的命令解釋程序，圖形化的命令控制方式，多通道交互的命令控制方式

　命令解釋程序的處理過程

OS啓動命令解釋程序，輸出命令提示符，等待鍵盤中斷/鼠標點擊/多通道識別，每當用戶輸入一條命令(暫存在命令緩衝區)並按回車換行時，申請中斷，CPU響應後，將控制權交給命令解釋程序，接着讀入命令緩衝區內容，分析命令、接受參數，執行處理代碼，前臺命令執行結束後，再次輸出命令提示符，等待下一條命令，後臺命令處理啓動後，便可接收下條命令

人機交互

操做系統的人機交互部分

OS改善人機界面，爲用戶使用計算機提供良好的環境，人機交互設備包括傳統的終端設備和新型的模式識別設備，OS的人機交互部分用於控制有關設備運行和理解執行設備傳來的命令，人機交互功能是決定計算機系統友善性的重要因素，是當今OS研發熱點

人機交互的發展

初期發展

• 交互式控制方式
  • 行命令控制方式：1960年代開始使用
  • 全屏幕控制方式：1970年代開始使用
• 斯坦福研究所提出的發展計劃
  • 始於1960年代，1980年代普遍應用
  • 強調人而不是技術是人機交互的中心
  • 表明性成果：鼠標、菜單與窗口控制

WIMP界面

• 緣起：70年代後期Xerox的原型機Star
• 特徵：窗口(Windows)、圖標(Icons)、菜單(Menu)和指示裝置(PointingDevices)爲基礎的圖形用戶界面WIMP
• 得益：Apple最初採用並大力推進
• 時間：1990年代開始普遍使用
• 不足：不容許同時使用多個交互通道，從而產生人-機交互的不平衡

多媒體計算機

• 緣起：1985年的MPC
• 把音頻視屏、圖形圖像和人機交互控制結合起來，進行綜合處理的計算機系統
• 構成：多媒體硬件平臺、多媒體OS、圖形用戶接口、多媒體數據開發工具
• 提供與時間有關的時變媒體界面，既控制信息呈現，也控制什麼時候呈現/如何呈現
• 人機交互界面須要使用多種媒體，同時支持多通道交互整合，改善用戶體驗

虛擬現實系統

• 緣起：1980年代的虛擬現實新型用戶界面
• VR經過計算機模擬三維虛擬世界，根據觀察點、觀察點改變的導航和對周圍對象的操做，來模擬臨境(身臨其境)的感受
• 支持多通道交互整合，提供良好用戶體驗
• 支持用戶主動參與的高度天然的三維HCI，以及語音識別、頭部跟蹤、視覺跟蹤、姿式識別等新型HCI
• 允許用戶產生含糊和不精確的輸入

程序接口

操做系統的程序接口

操做系統的程序接口——系統調用，操做系統實現的完成某種特定功能的過程；爲全部運行程序提供訪問操做系統的接口

實現機制

• 陷入處理機制：計算機系統中控制和實現系統調用的機制
• 陷入指令：也稱訪管指令，或異常中斷指令，計算機系統爲實現系統調用而引發處理器中斷的指令
• 每一個系統調用都事先規定了編號，並在約定寄存器中規定了傳遞給內部處理程序的參數

系統調用的實現要點

編寫系統調用處理程序，設計一張系統調用入口地址表，每一個入口地址指向一個系統調用的處理程序，幷包含系統調用自帶參數的個數，陷入處理機制需開闢現場保護區，以保存發生系統調用時的處理器現場

系統結構

操做系統軟件的規模

在計算機軟件發展史上，OS是第一個大規模的軟件系統，1960年代，由OS開發所衍生的體系結構、模塊化開發、測試與驗證、演化與維護等研究，直接催生了軟件工程這一新興研究領域（另外一個催生來源是DB應用引起的需求與規格），OS做爲大型軟件，結構設計是關鍵

操做系統軟件的結構設計

• OS構件
  • 內核、進程、線程、管程等
• 設計概念
  • 模塊化、層次式、虛擬化
• 內核設計是OS設計中最爲複雜的部分

操做系統內核

單內核：內核中各部件雜然混居的形態，始於1960年代，普遍使用；如Unix/Linux，及Windows(自稱採用混合內核的CS結構)

微內核：1980年代始，強調結構性部件與功能性部件的分離，大部分OS研究都集中在此

混合內核：微內核和單內核的折中，較多組件在覈心態中運行，以得到更快的執行速度

外內核：儘量減小內核的軟件抽象化和傳統微內核的消息傳遞機制，使得開發者專一於硬件的抽象化；部分嵌入式系統使用