【操作系统】操作系统接口
用户接口
联机命令类型
- 系统访问类：如注册命名Login;
- 磁盘操作类：如磁盘格式化命令Format，复制整个软盘命令Diskcopy，软盘比较命令Diskcomp，备份命令Backup；
- 文件操作类：如显示文件命令type，拷贝文件命令copy，文件比较命令comp，重新命名命令Rename，删除文件命令erase；
- 目录操作命令：如建立子目录命令mkdir， 显示目录命令dir，删除子目录命令rmdir，显示目录结构命令tree， 改变当前目录命令chdir；
- 其他命令：如输入输出重定向命令，管道连接，过滤命令，批命令。
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：
- 接收用户从终端上打入的字符。
- 字符缓冲，用于暂存所接收的字符。
- 回送显示。
- 屏幕编辑。
- 特殊字符处理。
命令解释程序
终端处理程序把用户键入的信息送键盘缓冲区中保存。一旦用户键入回车符，便立即把控制权交给命令处理程序。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，则应显示出某一出错信息。
系统调用
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，并可取得它的服务。系统调用不仅可供所有的应用程序使用，而且也可供OS自身的其它部分，尤其是命令处理程序使用。系统调用可分为：进程控制、文件操纵、通信管理、设备管理和信息维护等几大类。
计算机设置了两种状态：系统态(也称为管态或核心态)和用户态(也称为目态)。操作系统在系统态运行，而应用程序只能在用户态运行。处理机会在系统态和用户态间切换。
相应地，CPU的指令集分为特权指令和非特权指令两类。特权指令是在系统态时运行的指令，是关系到系统全局的指令；非特权指令是在用户态时运行的指令。
系统调用和一般调用的区别：
- 运行在不同的系统状态。
- 状态的转换通过软中断进入。
- 返回时需要对进程做优先级分析，只有当其优先级最高时才继续执行，否则重新调度。
- 嵌套调用时系统一般对深度有限制。
标准POSIX(Portable Operating System IX)，也称为“基于UNIX 的可移植操作系统接口”。
系统调用是通过中断机制实现的，并且一个操作系统的所有系统调用都通过同一个中断入口来实现。当应用程序使用OS的系统调用时，产生一条相应的指令，CPU 在执行这条指令时发生中断，并将有关信号送给中断和陷入硬件机构，该机构收到信号后，启动相关的中断与陷入处理程序进行处理，实现该系统调用所需要的功能。中断分为外中断和内中断，是指由于外部设备事件所引起的中断，如通常的磁盘中断、打印机中断等；而内中断（也称陷入）则是指由于CPU 内部事件所引起的中断，如程序出错(非法指令、地址越界)、电源故障等。内中断(trap)也被译为“捕获”或“陷入”。通常，陷入是由于执行了现行指令所引起的；而中断则是由于系统中某事件引起的，该事件与现行指令无关。由于系统调用引起的中断属于内中断，因此把由于系统调用引起中断的指令称为陷入指令。
每条系统调用一个唯一的系统调用号。给系统调用传递参数的方式有三种：陷入指令自带参数、直接将参数送入相应的寄存器中、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放在某个指定的寄存器中）。
系统调用处理步骤：
- CPU从用户态转为系统态，保护CPU现场，将相关内容压栈；
- 分析系统调用类型，找到子程序入口，交由子程序执行；
- 执行完后恢复被中断的CPU现场。
UNIX系统调用
进程控制
- 创建进程fork:创建一个子进程，它继承了父进程几乎所有的属性，并具有与其父进程基本上相同的进程映像。
- 终止进程exit:进程实现自我终止，通常，在父进程创建子进程时，便在子进程的末尾安排一条exit系统调用。
- 等待子进程结束wait:将调用者进程自身挂起，直至它的某一子进程终止为止。
- 获得进程ID：用于获得进程标识符的系统调用。
- 获得用户ID：用于获得用户ID 的系统调用。
- 进程暂停pause:可用此系统调用将调用进程挂起，直至它收到一个信号为止。
进程间通信
- 消息机制。用户(进程)在利用消息机制进行通信时，必须先利用msgget系统调用来建立一个消息队列。若成功，便返回消息队列描述符msgid，以后用户便可利用msgid去访问该消息队列。用户(进程)可利用发送消息的系统调用msgsend向用户指定的消息队列发送消息；利用msgrcv系统调用从指定的消息队列中接收指定类型的消息。
- 共享存储器机制。当用户(进程)要利用共享存储器机制进行通信时，必须先利用shmget系统调用来建立一个共享存储区，若成功，便返回该共享存储区描述符shmid。以后，用户便可利用shmid 去访问该共享存储区。进程在建立了共享存储区之后，还必须再利用shmat将该共享存储区连接到本进程的虚地址空间上。以后，在进程之间便可利用该共享存储区进行通信。当进程不再需要该共享存储区时，可利用shmdt 系统调用来拆除进程与共享存储区间的连接。
- 信号量机制。
文件操作
- 创建文件(creat)。系统调用creat的功能是根据用户提供的文件名和许可权方式，来创建一个新文件或重写一个已存文件。创建后的文件随即被打开，并返回其文件描述符fd。若creat执行失败，便返回“-1”。
- 打开文件(open)。设置系统调用open的目的，是为了方便用户及简化系统的处理。open 的功能是把有关的文件属性从磁盘拷贝到内存中，以及在用户和指名文件之间建立一条快捷的通路，并给用户返回一个文件描述符fd。文件被打开后，用户对文件的任何操作都只须使用fd而非路径名。
- 关闭文件(close)。当把一个文件用毕且暂不访问时，断开用户程序与该文件之间已经建立的快捷通路。
- 读和写文件read 和write。
- 连接和去连接(link 和unlink)。为了实现文件共享，必须记住所有共享该文件的用户数目。为此，在该文件的索引结点中设置了一个连接计数i.link。每当有一用户要共享某文件时，须利用系统调用link 来建立该用户(进程)与此文件之间的连接，并对i.link 做加1操作。当用户不再使用此文件时，应利用系统调用unlink去断开此连接，亦即做i.link的减1 操作。当i.link 减1 后结果为0 时，表示已无用户需要此文件，此时才能将该文件从文件系统中删除。
unix中有一个trap.S文件，它是中断和陷入总控程序。该程序用于中断和陷入的一般性处理。为提高运行效率，该文件采用汇编语言编写。为了实现系统调用的嵌套使用，在系统中还设置了两个指针，其一是系统调用参数表指针AP；再者，还须设置一个调用栈帧指针FP。当 trap.S完成被中断进程的CPU环境和AP及FP指针的保存后，将会调用公共处理程序trap.C，以继续处理本次的系统调用所要完成的公共处理部分（确定系统调用号、实现参数传送、转入相应的系统调用处理子程序）。
参考
《计算机操作系统》第三版 汤小丹
