操作系统-控制角度&人机交互角度&程序接口角度&系统结构角度

Posted 2021-04-19 IOput

计算机系统操作方式

•OS规定了合理操作计算机的工作流程

•OS的操作接口——系统程序

OS提供给用户的功能级接口，为用户提供的解决操

作计算机和计算共性问题的所有服务的集合

•OS的两类作业级接口

脱机作业控制方式：作业控制语言

联机作业控制方式：操作控制命令

脱机作业控制

OS：提供作业说明语言

用户：编写作业说明书，确定作业加工控制步骤，并与程序数据一并提交

操作员：通过控制台输入作业

OS：通过作业控制程序自动控制作业的执行

例：批处理OS的作业控制方式，UNIX的shell程序，DOS的bat

联机作业控制方式

计算机：提供终端（键盘/显示器）

用户：登录系统

OS：提供命令解释程序

用户：联机输入命令，直接控制作业步的执行

例：分时OS的交互控制方式

命令解释程序

•命令解释程序：接受和执行一条用户提出的对作业的加工处理命令

•当一个新的批作业被启动，或新的交互型用户登录进系统时，系统就自动地执行命令解释程序，负责读入控制卡或命令行，作出相应解释，并予以执行

•会话语言：可编程的命令解释程序

•图形化的命令控制方式

•多通道交互的命令控制方式

命令解释程序的处理过程

• OS启动命令解释程序，输出命令提示符，等待键盘中断/鼠标点击/多通道识别

• 每当用户输入一条命令(暂存在命令缓冲区)并按回车换行时，申请中断

• CPU响应后，将控制权交给命令解释程序，接着读入命令缓冲区内容，分析命令、接受参数，执行处理代码

• 前台命令执行结束后，再次输出命令提示符，等待下一条命令

• 后台命令处理启动后，即可接收下条命令

操作系统的人机交互部分

•OS改善人机界面，为用户使用计算机提供良好的环境

•人机交互设备包括传统的终端设备和新型的模式识别设备

•OS的人机交互部分用于控制有关设备运行和理解执行设备传来的命令

•人机交互功能是决定计算机系统友善性的重要因素，是当今OS研发热点

人机交互的初期发展

交互式控制方式

•行命令控制方式：1960年代开始使用

•全屏幕控制方式：1970年代开始使用

斯坦福研究所提出的发展计划

•始于1960年代，1980年代广泛应用

•强调人而不是技术是人机交互的中心

•代表性成果：鼠标、菜单与窗口控制

人机交互发展-WIMP界面

•缘起：70年代后期Xerox的原型机Star

•特征：窗口(Windows) 、图标(Icons)、菜单(Menu) 和指示装置(Pointing Devices)为基础的图形用户界面WIMP

•得益：Apple最初采用并大力推动

•时间：1990年代开始广泛使用

•不足：不允许同时使用多个交互通道，从而产生人-机交互的不平衡

人机交互发展-多媒体计算机

•缘起：1985年的MPC

•把音频视屏、图形图像和人机交互控制结合起来，进行综合处理的计算机系统

•构成：多媒体硬件平台、多媒体OS 、图形用户接口、多媒体数据开发工具

•提供与时间有关的时变媒体界面，既控制信息呈现，也控制何时呈现/如何呈现•人机交互界面需要使用多种媒体，同时支持多通道交互整合，改善用户体验

人机交互发展-虚拟现实系统

• 缘起：1980年代的虚拟现实新型用户界面

• VR通过计算机模拟三维虚拟世界，根据观察点、观察点改变的导航和对周围对象的操作，来模拟临境(身临其境)的感觉

• 支持多通道交互整合，提供良好用户体验

• 支持用户主动参与的高度自然的三维HCI，以及语音识别、头部跟踪、视觉跟踪、姿势识别等新型HCI

• 容许用户产生含糊和不精确的输入

操作系统的程序接口

•操作系统的程序接口——系统调用

•操作系统实现的完成某种特定功能的过程；为所有运行程序提供访问操作系统的接口

系统调用的实现机制

•陷入处理机制：计算机系统中控制和实现系统调用的机制

•陷入指令：也称访管指令，或异常中断指令，计算机系统为实现系统调用而引起处理器中断的指令

•每个系统调用都事先规定了编号，并在约定寄存器中规定了传递给内部处理程序的参数

系统调用的实现要点

•编写系统调用处理程序

•陷入处理机制需开辟现场保护区，以保存发生系统调用时的处理器现场

系统调用的实现流程

操作系统软件的规模

•在计算机软件发展史上，OS是第一个大规模的软件系统

• 1960年代，由OS开发所衍生的体系结构、模块化开发、测试与验证、演化与维护等研究，直接催生了软件工程这一新兴研究领域（另一个催生来源是DB应用引发的需求与规格）

•OS作为大型软件，结构设计是关键

操作系统软件的结构设计

•OS构件

内核、进程、线程、管程等

•设计概念

模块化、层次式、虚拟化

•内核设计是OS设计中最为复杂的部分

操作系统内核

• 单内核：

内核中各部件杂然混居的形态，始于1960年代，广泛使用；如Unix/Linux，及

Windows(自称采用混合内核的CS结构)

• 微内核：

1980年代始，强调结构性部件与功能性部件的分离，大部分OS研究都集中在此

• 混合内核：

微内核和单内核的折中，较多组件在核心态中运行，以获得更快的执行速度

• 外内核：

尽可能减少内核的软件抽象化和传统微内核的消息传递机制，使得开发者专注于硬件的抽象化；部分嵌入式系统使用

操作系统实现的一种层次式结构

操作系统实现的第二种层次结构

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