第七章 操作系统接口
第7章操作系统接口(系统调用部分)资料
中断是指CPU对系统发生某事件时的这样一种响应：
CPU暂停正在执行的程序，在保留现场后自动地转去执行
该事件的中断处理程序；执行完后，再返回到原程序的断
点处继续执行 。
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被中断程序
中断处理开始
中断点
中断处理 程序
中断处理结束
图 7 - 4 中断时的CPU轨迹
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系统调用
操作系统中提供了系统调用，使应用 程序可以通过系统调用的方法，间接调用 操作系统的相关过程，取得相应的服务。
应用程序使用系统调用命令，以取得 操作系统服务时，操作系统将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，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。
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。
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。
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练习：
系统调用的目的是（） A、请求系统服务 B、终止系统服务 C、申请系统资源 D、释放系统资源 用户程序通过系统调用creat来创建一新文件时，在执行 系统调用前，用户进程是运行在（）下，在执行creat()的 过程中，用户进程是运行在（）下。
操作系统在系统态运行，应用程序只能在用 户态运行。
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特权指令与非特权指令
CPU的指令分为特权指令和非特权指令。
特权指令：在系统态时运行的指令，关系到全 局的指令。只允许操作系统使用，不允许应用程 序使用。
《操作系统》教案》课件
《操作系统》教案（第一至第五章）一、教案概述本教案主要针对《操作系统》课程的五个章节进行详细的教学设计，包括教学目标、教学内容、教学方法、教学步骤和教学评价等方面。
通过本教案的学习，学生将掌握操作系统的基本概念、原理和关键技术。
二、教学目标1. 了解操作系统的概念、发展和分类。
2. 掌握操作系统的主要功能和架构。
3. 理解进程管理、内存管理、文件管理和设备管理的基本原理。
4. 学习操作系统的设计方法和实现技术。
三、教学内容第一章：操作系统概述1. 操作系统的概念和发展历程2. 操作系统的目标和功能3. 操作系统的分类和特点第二章：操作系统架构1. 操作系统的主要组件2. 操作系统的层次结构3. 操作系统的接口和API第三章：进程管理1. 进程的概念和特性2. 进程的状态和转换3. 进程调度算法4. 进程同步与互斥5. 死锁与饥饿问题第四章：内存管理1. 内存分配与回收策略2. 内存分页和分段3. 虚拟内存技术4. 页面置换算法5. 内存保护机制第五章：文件管理1. 文件和目录的概念2. 文件系统的组织结构3. 文件存储分配策略4. 文件访问控制5. 磁盘空间管理和文件备份策略四、教学方法1. 讲授法：讲解基本概念、原理和关键技术。
2. 案例分析法：分析实际操作系统案例，加深对原理的理解。
3. 实验法：通过上机实验，巩固理论知识。
4. 小组讨论法：分组讨论问题，培养团队合作能力。
五、教学步骤1. 引导：介绍本章主题，激发学生兴趣。
2. 讲解：详细讲解本章的核心概念和原理。
3. 案例分析：分析实际案例，加深学生对原理的理解。
4. 练习与讨论：布置练习题，组织小组讨论。
5. 总结：对本章内容进行归纳和总结。
六、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和提问情况。
2. 练习题：评估学生对知识的掌握程度。
3. 实验报告：评价学生的实践操作能力。
4. 小组讨论报告：评估学生的团队合作和沟通能力。
七、教学资源1. 教材：选用权威、实用的操作系统教材。
计算机操作系统
第二章 进程管理 一、重点考核内容 1、进程控制； 2、经典进程的同步问题； 3、进程通信。 二、基本概念 1、进程从运行状态进入就绪状态的原因可能是时间片用完。 2、并发进程中涉及到共享变量的程序段称为临界区，两个进程同 时进入相关的临界区会造成与时间有关的错误。 3、就绪队列为空，等待队列可能不空。 4、任何两个并发进程之间可能存在同步或互斥关系。 5、进程由程序、数据集合、进程控制块及相关表格组成。 6、对信号量S的操作只能通过P、V操作进行，对应每一个信号量设 置了一个等待队列。 7、父进程请求是引入挂起状态的原因之一。 8、终端用户的请求是引入挂起状态的原因之一。 三、综合能力 1、临界资源（P48）；（专） 2、临界区（P50）；（专）
（本）
2、网络体系结构（P290）。（专） 3、开放系统（P290）。（专）
第九章 系统安全性 一、重点考核内容 1、数据加密技术； 2、认证技术。 二、基本概念 1、系统安全性的内容包括数据机密性、数据完整性和系统可用性。 2、系统安全的性质主要表现为多面性、动态性、层次性和适度性。 三、综合能力 1、数据置换加密法（P327页）。（本） 2、数据易位加密法（P327页）。（本）
第六章 文件管理 7、在存贮器可变式分区管理中，对内存状态的记录和分配管理通 常可采用表格法、位图法和链表法。 8、文件系统中，用于文件的描述和控制并与文件一一对应的是文 件控制块。 9、单级目录结构不能解决文件重名问题。 10、文件系统中源程序是字符流式文件。 11、文件系统中分配存储空间的基本单位是物理记录。 12、虽然NTFS是专门为Windows NT开发的文件系统，但它也同样适 用于Windows 2000/XP/2003系统。 三、综合能力 1、对文件逻辑结构的要求（P208页）。（本） 2、离散分配与连续分配相比的优势（214、215页）。（本） 3、实现文件和数据共享方法主要有两种，即数据移动方式和计算 移动方式。请简要说明数据移动方式（P235页）。（本）
操作系统重点知识总结
操作系统重点知识总结操作系统》重点知识总结第一章引论1、操作系统定义：是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理的对各类作业进行调度以及方便用户使用的程序的集合。
2、操作系统的作用1. os作为用户与计算机硬件系统之间的接口。
2. 作为计算机资源的管理者3. 实现了对计算机资源的抽象。
3、分时系统原理和特征原理：人机交互、共享主机特征：多路性、独立性、及时性、交互性4、脱机I/O 原理：程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成。
优点：减少了CPU 空闲时间、提高了I/O 速度。
5、操作系统四个基本特征；其中最重要特征是什么？（并发）并发、共享、虚拟、异步第二章进程管理1 、进程定义、进程特征（结构特征、动态性、并发性、独立性和异步性）1. 进程是程序的一次执行。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，他是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
动态性、并发性、独立性、异步性。
2、进程的基本状态、相互转换原因及转换图（三态）就绪、阻塞、执行3、具有挂起状态的进程状态、相互转换原因及其转换图（五态）活动就绪、静止就绪、活动阻塞、静止阻塞、执行4、什么是进程控制块？进程控制块的作用进程控制块是用于描述进程当前情况以及管理进程运行的全部信息。
1. 作为独立运行基本单位的标志。
2. 能实现间断性运行方式。
3. 提供进程管理、调度所需要的信息4. 实现与其他进程同步与通信5、临界资源定义、临界区的定义一次只能为一个进程使用的资源称为临界资源。
每个进程访问临界资源的代码称为临界区。
6、同步机制应遵循的规则空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待7、记录型信号量的定义，信号量值的物理意义，wait 和signal 操作8、AND 型信号量的定义，Swait 和Ssignal 操作9、经典同步算法：①生产者－消费者问题算法；②不会死锁的哲学家就餐问题算法；③读者－写者问题算法10、利用信号量机制实现进程之间的同步算法（前驱关系、类经典同步问题）11、高级进程通信三种类型。
操作系统 第七章 文件管理
（2）存取控制信息类
存取权限
（3）使用信息类
文件的建立日期和时间等。
2．索引结点
（1）索引结点的引入
文件描述信息单独形成 一个称为索引结点的数 据结构，简称为i结点。 在文件目录中的每个目 录项，仅由文件名和指 向该文件所对应的i结点 的指针所构成。
2．索引结点
（2）磁盘索引结点包括以下内容：
7.3.3 树形结构目录（多级目录结构）
（2）路径名
从树的根（即主目录）开始，把全部目录文件名 与数据文件名，依次地用“/”连接起来，即构成 该数据文件的路径名（path name）。 系统中的每一个文件都有惟一的路径名。
（3）当前目录
为每个进程设置一个“当前目录”，又称为“工
作目录”进程对各文件的访问都相对于“当前目 录”而进行。
7.2.4 索引文件
对于定长记录，可方便地实现直接存取。对于变长 记录就较难实现直接存取，为了解决这一问题，为 变长记录文件建立一张索引表，索引表是按键排序 的，可以方便地实现直接存取。
7.2.5 索引顺序文件
索引顺序文件 : 将顺序文件中的所有记录分为若 干个组, 为顺序文件建立一张索引表，在索引表 中为每组中的第一个记录建立一个索引项，其中 含有该记录的键值和指向该记录的指针。
1．线性检索法
线性检索法又称为顺序检索法。
①在单级目录中，利用用户提供的文件名，用顺序查 找法直接从文件目录中找到指名文件的目录项。 ②在树型目录中，用户提供的文件名是由多个文件分 量名组成的路径名，此时须对多级目录进行查找。
1．线性检索法
假定用户给定的文件路径名是/usr/ast/mbox，则查找 /usr/ast/mbox文件的过程如图7-12 所示
Operating-System第7章-设备管理
（3）按外部设备的从属关系分 系统设备
指操作系统生成时，登记在系统中的标准 设备 （如终端、打印机、磁盘机等）
第六页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
用户设备 指在系统生成时，未登记在系统中的非标 准设备。对于这类设备的处理程序由用户 提供，并将其纳入系统，由系统代替用户 实施管理。
（如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设 备）
用户申请使用设备时，只需要指定设备类 型，而无须指定具体物理设备，系统根据 当前的请求，及设备分配的情况，在相同 类别设备中，选择一个空闲设备，并将其 分配给一个申请进程
统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式，在用 户程序中使用的是逻辑设备
第十九页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
优点： 设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程
第三十九页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
第四十页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
(2)缓输出程序 缓输出程序总是定期查看“输出井”中
是否有等待输出的作业信息。如果有，就 启动输出设备（比如打印机）进行输出。 因此，由于作业的输出信息都暂时存放在 输出井中，输出设备有空就去输出，不会 出现作业因为等待输出而阻塞。
第三十一页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
第三十二页，编辑于星期四：十六点 二十二分。
（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对I ／O数据进行格式化，为假脱机输入／输出 作准备
（2）独立于设备的软件实现设备的命名、设 备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配
（3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设 备的执行状态
2.如何给文件和设备这样的对象命名是操作系 统中的一个主要课题。独立于设备的软件负 责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上
第7章 操作系统接口
第七章 操作系统接口 7.3.1 系统调用的基本概念
函数的集合就是Windows操作系统提供给应用程序编程 的接口（Application Programming Interface），简称Windows API或Win32 API（注：某些Win32 API，如管理Windows线 程的API等，它们并没有操纵内核对象，因此不是系统调用。 本实验只讨论API的使用，不再做进一步区分）。所有在 Win32平台上运行的应用程序都可以调用这些函数。
第七章 操作系统接口 2. 对话框的组成 1) 标题栏 2) 输入框 3) 按钮 (1)命令按钮。 (2) 选择按钮。 (3) 滑块式按钮。 (4) 数字式增减按钮。
第七章 操作系统接口
(a) “另存为”对话框 图 7 -11 对话框
第七章 操作系统接口
(b) “格式化”对话框
图 7 -11 对话框
命令解释程序是用户和系统内核之间的接口程序。
Command程序是一个命令语言解释器，它拥有自己内建
的命令集，用户或其他应用程序都可通过对Command程序的
调用完成与系统内核的交互。我们可以把系统内核想象成一 个球体的中心，Command命令解释程序就是包围内核的外壳。
第七章 操作系统接口 7.1.3 命令解释程序
第七章 操作系统接口
图7-10 “我的电脑”窗口的组成
第七章 操作系统接口 2. 窗口的性质 (1) 窗口的状态。 (2) 窗口的改变
第七章 操作系统接口 7.5.4 对话框 1. 对话框的用途 对话框的主要用途是实现人—机对话，即系统可通过对 话框提示用户输入与任务有关的信息，比如提示用户输入要 打开文件的名字、其所在目录、所在驱动器及文件类型等信 息；或者对于对象的属性、窗口等的环境设置的改变等， 比如设置文件的属性、设置显示器的颜色和分辨率、设置桌 面的显示效果七章 操作系统接口 三、系统调用的处理步骤 MS-DOS——INT 21
操作系统原理-第七章设备管理知识点及习题
第7章 设备管理7.1 例题解析例7.2.1 何谓虚拟设备？请说明SPOOLing系统是如何实现虚拟设备的。
解本题的考核要点是虚拟设备的实现方法。
虚拟设备是指利用软件方法，比如SPOOLing系统，把独享设备分割为若干台逻辑上的独占的设备，使用户感受到系统有出若干独占设备在运行。
当然，系统中至少一台拥有物理设备，这是虚拟设备技术的基础。
SPOOLing系统又称“假脱机I/O系统”，其中心思想是，让共享的、高速的、大容量外存储器（比如，磁盘）来模拟若干台独占设备，使系统中的一台或少数几台独占设备变成多台可并行使用的虚拟设备。
SPOOLing系统主要管理外存上的输入井和输出井，以及内存中的输入缓冲区和输出缓冲区。
其管理进程主要有输入和输出进程，负责将输入数据装入到输入井，或者将输出井的数据送出。
它的特点是：提高了I/O操作的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。
例7.2.2有关设备管理要领的下列叙述中，( )是不正确的。
A．通道是处理输入、输出的软件B．所有外围设备都由系统统一来管理C．来自通道的I/O中断事件由设备管理负责处理D．编制好的通道程序是存放在主存贮器中的E．由用户给出的设备编号是设备的绝对号解本题的考核要点是设备管理的基本概念。
(1)通道是计算机上配置的一种专门用于输入输出的设备，是硬件的组成部分。
因此A是错误的。
(2)目前常见I/O系统其外部设备的驱动和输入输出都由系统统一管理。
因此B是对的。
(3)设备管理模块中的底层软件中配有专门处理设备中断的处理程序。
通道中断属于设备中断的一种。
因此C是对的。
(4)通道设备自身只配有一个简单的处理装置（CPU），并不配有存储器，它所运行的通道程序全部来自内存。
因此D是对的。
(5)系统在初启时为每台物理设备赋予一个绝对号，设备绝对号是相互独立的。
由用户给出的设备号只能是逻辑编号，由系统将逻辑号映射为绝对号。
因此E是错误的。
例7.2.3 在关于SPOOLING的叙述中，描述是不正确的。
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3. 命令解释程序的工作流程
图 7 2
-
输入命令行
命令合法否？
是内部命令？
从外存调入外部命 令执行
DIR 命令 处理 程序
Type 命令 处理 程序
Copy 命令 处理 程序
Date 命令 处理 程序
显示提示符
的 工 作 流 程
7.2 Shell命令语言
7.2.1 简单命令
④ 目录操作类；
⑤ 通信类；
⑥ 其他命令。
7.1.2 键盘终端处理程序
为了实现人机交互，还须在微机或终端上配置相应的键 盘终端处理程序，它应具有下述几方面的功能： (1) 接收用户从终端上打入的字符。 (2) 字符缓冲， 用于暂存所接收的字符。 (3) 回送显示。 (4) 屏幕编辑。 (5) 特殊字符处理。
式、图符驱动方式、图形化用户界面。 图形化用户接口直观、方便、易学，更适合于普通用户 使用。
试题解析
例1 （武汉大学2001年试题） 用户与OS之间的接口有哪些方式？它们在什么情况下使用的？ 解答：用户与操作系统之间的接口有以下方式：命令接口、 程序接口、图形用户接口。 命令接口是用户在终端输入命令与系统交互或者是用户通 过提交作业控制说明书来控制系统运行。这种方式要求用户 记忆所以的命令，有较强的英语应用能力。 程序接口是通过系统调用来实现的，这种接口主要提供给 程序员使用，在OS的外层软件或用户程序中，凡是与资源有 关的操作都必须通过该接口向操作系统提出服务请求，并由 OS代为完成。 图形化用户接口直观、方便、易学，更适合于普通用户使 用。
被中断程序 中断处理开始 中断处理 程序 中断处理结束
图 7 - 4 中断时的CPU轨迹
中断点
(2) 中断和陷入向量。
2. 系统调用号和参数的设置
(1) 直接将参数送入相应的寄存器中。 (2) 参数表方式。
3. 系统调用的处理步骤
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。 分析系统调用类型，转入相应的系统调用处理子程序
作业
• 习题1，13
3. 进程间通信 (1) 消息机制。 (2) 共享存储器机制。 (3) 信号量机制。
4. 信息维护 (1) 设置和获得时间。 (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)。
7.5 图形用户接口
这是大家都很熟悉的接口了。它又可分为：菜单驱动方
(b ) 程序之间的嵌套调用
图 7-3 系统功能的调用
7.3.2 系统调用的类型
1. 进程控制类系统调用
2. 文件操纵类系统调用
3. 进程通信类系统调用
7.3.3 系统调用的实现
1. 中断和陷入硬件机构
(1) 什么是中断和陷入。
中断是指 CPU 对系统发生某事件时的这样一种响应：
CPU 暂停正在执行的程序，在保留现场后自动地转去执行 该事件的中断处理程序；执行完后，再返回到原程序的断 点处继续执行 。
7.1 联机命令接口联机命令接 Nhomakorabea包括•联机命令
•终端处理程序
•命令解释程序
7.1 联机命令接口
7.1.1 联机命令的类型
为了能向用户提供多方面的服务，通常，OS都向用户 提供了几十条甚至上百条的联机命令。根据这些命令所完 成功能的不同，可把它们分成以下几类：
① 系统访问类；
③ 文件操作类；
② 磁盘操作类；
试题解析
例2 （东南大学1996年试题） UNIX系统中把一条命令的执行结果输出给下一条命令，作为它 的输入并加以处理，这种机制称为＿＿机制；操作系统不是从 键盘上逐条接受命令并执行，而是调用一个文本文件，执行其 中保存的一系列命令，这种方式称为＿＿。 解答：管道命令机制；批处理命令接口方式（或脱机处理命 令接口方式）。
试题解析
例3 （中国科学院计算技术研究所2001年试题） 现代网络操作系统中，系统向程序员提供的基于Socket的 Tcp/IP接口属于操作系统提供给用户的＿＿ 接口。 解答：程序。
例4（华中理工大学2000年试题） 用户在程序中试图读某文件的第100个逻辑块，使用操作系统提 供的＿＿ 接口。 A. 系统调用 B.图形用户接口 C. 原语 D. 键盘命令 解答：A
7.2.2 重定向与管道
7.2.3 通信命令 7.2.4 后台命令
7.3 系 统 调 用
程序接口是OS专门为用户程序设置的，也是用户程序
取得OS服务的唯一途径。程序接口通常由各种类型的系统
调用所组成，而系统调用提供了用户程序和操作系统之间
的接口，应用程序通过系统调用实现其与OS的通信，并取
得它的服务。
第七章 操作系统接口
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 联机命令接口 Shell命令语言 系统调用 UNIX系统调用 图形用户接口
教学要求
• 本章知识属于了解性质。需要对各类接口 有一个清醒的认识，能分辨出实际中经常 使用的接口属于哪种类型。
教学重点：命令接口、程序接口和图形用户接口
操作系统提供的用户接口
7.3 系 统 调 用
7.3.1 系统调用的基本概念
系统调用与一般过程调用的差别： (1) 运行在不同的系统状态。 (2) 通过软中断进入。
(3) 返回问题。
(4) 嵌套调用。
用户程序 系统调 用命令 调用 系统调 用命令
系统功能
系统功能 系统调 用命令 调用 系统子功能
返回 返回
(a ) 系统调用与返回
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。
7.4 UNIX系统调用
7.4.1 UNIX系统调用的类型
1. 进程控制 (1) 创建进程(fork)。 (2) 终止进程(exit)。 (3) 等待子进程结束(wait)。
(4) 执行一个文件(exec)。
(5) 获得进程ID。 (6) 获得用户ID。 (7) 进程暂停(pause)。
2. 文件操纵 (1) 创建文件(creat)。 (2) 打开文件(open)。 (3) 关闭文件(close)。 (4) 读和写文件read和write。 ① 文件描述符fd； ② buf缓冲区首址。③ 用户要求传 送的字节数nbyte。 (5) 连接和去连接(link和unlink)。
显示出某一出错信息。
2. 命令解释程序的组成 (1) 常驻部分。 这部分包括一些中断服务子程序。
(2) 初始化部分。
它跟随在常驻内存部分之后，在启动时获得控制权。 这部分还包括对 AUTOEXEC.BAT 文件的处理程序，并决 定应用程序装入的基地址。 (3) 暂存部分。 这部分主要是命令解释程序，并包含了所有的内部命 令处理程序、批文件处理程序，以及装入和执行外部命令 的程序。
7.1.3 命令解释程序
1. 命令解释程序的作用
命令解释程序的主要作用，是在屏幕上给出提示符，
请用户键入命令，然后读入该命令，识别命令，再转到相应
命令处理程序的入口地址，把控制权交给该处理程序去执行，
并将处理结果送屏幕上显示。 若用户键入的命令有错，而命 令解释程序未能予以识别，或在执行中间出现问题时，则应
操作系统可以通过程序接口和操作接口两种 方式把它的服务和功能提供给用户，反过来也 可以这样说，用户可以如下图那样通过两个接 口来调用操作系统提供的服务和功能。
操作系统又将命令接口分为交互式命令接口（联机 命令接口）和批处理命令接口（脱机命令接口）
• 联机命令接口是为联机用户提供的调用操作系统功能， 请求操作系统为其服务的手段，它由一组命令及命令解 释程序组成。当用户在键盘上每键入一条命令后，系统 便立即转入命令解释程序，对该命令进行处理和执行。 • 脱机命令接口是专为批处理作业的用户提供的，所以， 也称批处理用户接口。操作系统提供了一个作业控制语 言JCL（Job Control Language），它由一组作业控制 卡、或作业控制语句、或作业控制操作命令组成。