Лекция 3 Тема 1.3 Интерфейс пользователя. Операционное окружение. Тема Интерфейс пользователя. Операционное окружение
 Скачать 112.84 Kb.
|
|
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ Тема 1.3. Интерфейс пользователя. Операционное окружение ПЛАН Понятие интерфейса, его назначение. Виды интерфейсов. Технологии реализации интерфейсов. Операционное окружение. Понятие операционного окружения, состав, назначение. Понятие интерфейса, его назначение. Виды интерфейсов Интерфейс - это способ общения пользователя с персональным компьютером, пользователя с прикладными программами и программ между собой. Интерфейс служит для удобства управления программным обеспечением компьютера. Интерфейсы бывают: - однозадачные и многозадачные, - однопользовательские и многопользовательские, - понятными и непонятными, - дружественными или нет. Интерфейсы отличаются между собой по удобству управления программным обеспечением, то есть по способу запуска программ. Существуют универсальные интерфейсы, допускающие все способы запуска программ, например Windows 95. Он позволяет реализовать несколько способов запуска программ, в том числе позволяет запускать программы при помощи меню кнопки Пуск. Современные виды интерфейсов: 1) командный интерфейс – пользователь дает команды компьютеру, который их выполняет и выдает результат пользователю. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки. В большинстве ОС в настоящее время сложился более или менее унифицированный формат командной строки. Командная строка включает в себя: - тип операции (имя команды или программы); - рабочий вход (входные файлы или устройства); - рабочий выход (выходные файлы или устройства); - управляющий вход (управляющие параметры или ключи команды); - управляющий выход (обычно - протокол, содержащий диагностику ошибок, код завершения или другую информацию). 2) WIMP-интерфейс (WIMP от: Window – окно; Image – образ; Menu – меню; Pointer – указатель) – диалог пользователя с компьютером ведется при помощи графических образов: меню, окон и других элементов. Интерфейс реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и WIMP-интерфейс; 3) SILK-интерфейс (SILK от: Speech – речь; Image – образ; Language – язык; Knowlege – знание) – разговор пользователя с компьютером. Интерфейс наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. При этом компьютер определяет команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд компьютер преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, поэтому его применяют в основном для военных целей. 2. Технологии реализации интерфейсов. Основными технологиями реализации интерфейсов являются следующие (рис.1). 1. Пакетная технология. Исторически технология появилась первой и существовала уже на релейных машинах Зюса и Цюзе (Германия, 1937 г.). На вход компьютера подавалась последовательность символов, в которых по определенным правилам указывалась последовательность запущенных на выполнение программ. После выполнения очередной программы запускалась следующая программа и т. д. Машина по определенным правилам находила команды и данные. Например, в качестве такой последовательности выступали: перфолента, стопка перфокарт, последовательность нажатия клавиш электрической пишущей машинки (типа CONSUL). Машина выдавала свои сообщения на перфоратор, алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), ленту пишущей машинки. Такая машина представляла собой шкаф, в который постоянно подавалась информация, и который постоянно информировал о своем состоянии. Пользователь имел малое влияние на работу машины. Он мог лишь приостановить работу машины, сменить программу и вновь запустить ЭВМ. Впоследствии, когда машины стали помощнее и могли обслуживать сразу нескольких пользователей, вечное ожидание пользователей типа: "Я послал данные машине. Жду, что она ответит. И ответит ли вообще?" - стало, мягко говоря, надоедать. К тому же вычислительные центры (ВЦ), вслед за газетами, стали вторым крупным "производителем" макулатуры. Поэтому с появлением алфавитно-цифровых дисплеев началась эра по-настоящему пользовательской технологии - командной строки.
Рис. 1. Взаимодействие типов операционных систем, пользовательских интерфейсов и основных технологий их реализации Р  ис. 2. Вид большой ЭВМ серии ЕС ЭВМ. 2. Технология командной строки. Информация пользователя для компьютера передается посредством клавиатуры. Компьютер выводит информацию на алфавитно-цифровой дисплей (монитор). Комбинацию «монитор + клавиатура» назвали терминалом или консолью. Команды набираются в командной строке, которая представляет собой символ приглашения и мигающий прямоугольник – курсор. При нажатии клавиши на месте курсора появляются символы, и курсор смещается вправо, неправильно набранный символ стирается нажатием клавиши Delete (del). Команда заканчивается нажатием клавиши Enter (Return), после чего осуществляется переход в начало следующей строки, в позиции которой компьютер выдает на монитор результаты своей работы. Затем процесс повторяется. Технология командной строки уже работала на монохромных алфавитно-цифровых дисплеях. Поскольку вводить позволялось только буквы, цифры и знаки препинания, то технические характеристики дисплея были не существенны. В качестве монитора можно было использовать телевизионный приемник или трубку осциллографа. Преобладающим видом файлов при работе с командным интерфейсом были текстовые файлы, которые можно было создавать при помощи клавиатуры. На время наиболее широкого использования интерфейса командной строки приходится появление операционной системы UNIX и первых восьмиразрядных персональных компьютеров с многоплатформенной операционной системой CP/M. 3. Технология графического интерфейса. Идея графического интерфейса возникла в середине 70-х гг. ХХ в., когда в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center (PARC) была разработана концепция визуального интерфейса. Предпосылкой графического интерфейса явилось уменьшение времени реакции компьютера на команду, увеличение объема оперативной памяти, развитие технической базы компьютеров. Аппаратным основанием концепции явилось появление алфавитно-цифровых дисплеев, которые стали поддерживать новые эффекты: мерцание символов, инверсию цвета (смена начертания белых символов на черном фоне черными символами на белом фоне), подчеркивание символов. Эффекты распространились не на весь экран, а только на один или более символов. Следующим шагом явилось создание цветного дисплея, позволяющего выводить вместе с этими эффектами символы в 16 цветах на фоне с палитрой (т. е. цветовым набором) из 8 цветов. Первая система с графическим интерфейсом 8010 Star Information System группы PARC появилась в начале 1981 г. Первоначально интерфейс использовался только в программах. Постепенно он стал переходить и на операционные системы, используемые сначала на компьютерах Atari и Apple Macintosh, затем и на IBM-совместимых компьютерах. Под влиянием новых концепций проходил процесс по унификации использования клавиатуры и мыши прикладными программами. Графический интерфейс пользователя за время своего развития с 1974 г. по настоящее время прошел две стадии. Простой графический интерфейс. На первом этапе графический интерфейс очень походил на технологию командной строки, за исключением следующих отличий: – при отображении символов допускалось выделение части символов цветом, инверсным изображением, подчеркиванием и мерцанием, благодаря чему повысилась выразительность изображения; – в зависимости от конкретной реализации графического интерфейса курсор мог представляться мерцающим прямоугольником или некоторой областью, охватывающей несколько символов, которая отличалась от других невыделенных частей; – нажатие клавиши Enter не всегда приводило к выполнению команды и переходу к следующей строке, так как реакция на нажатие любой клавиши во многом зависела от того, в какой части экрана находился курсор; – кроме клавиши Enter, на клавиатуре стали использовать клавиши управления курсором и манипуляторы (мышь, трекбол и др., рис. 1.4), которые позволяли быстро выделять нужную часть экрана и перемещать курсор.
Рис. 1.4. Виды манипуляторов для работы с графическим интерфейсом: а – мышь; б – трекбол (для настольных компьютеров); в – трекбол (в портативном компьютере); г – сенсорная панель; д – трекпойнт (между клавишами с буквами G, H и B) Отличительные особенности интерфейса: выделение областей экрана; переопределение клавиш клавиатуры в зависимости от контекста; использование манипуляторов и клавиш управления курсором; широкое использование цветных мониторов. Появление интерфейса совпадает с широким распространением операционной системы MS-DOS, которая внедрила этот интерфейс и улучшила характеристики отображения символов и другие параметры монитора. Примеры использования интерфейса: файловая оболочка Nortron Commander, текстовый редактор Multi-Edit, редакторы: Лексикон и ChiWriter, текстовый процессор Microsoft Word for Dos. WIMP-интерфейс стал вторым этапом в развитии графического интерфейса, его характерные особенности: – работа с программами, файлами и документами происходит в окнах – частях экрана, очерченных рамкой; – программы, файлы, документы, устройства и другие объекты представляются в виде значков – иконок, которые при открытии превращаются в окна; – действия с объектами осуществляются с помощью меню, которое стало основным элементом управления; – одним из основных элементов управления стал манипулятор, которым указывают на область экрана, окна или иконки, выделяют ее и посредством меню или с использованием других технологий осуществляют управление ими. Для реализации WIMP-интерфейсу требуются: цветной растровый дисплей с высоким разрешением, манипулятор и программы, ориентированные на данный вид интерфейса, которые предъявляют повышенные требования к производительности компьютера, объему его памяти, пропускной способности шины и т. п. В настоящее время WIMP-интерфейс является стандартом. 4. Речевая технология возникла в середине 90-х гг. ХХ в. после появления недорогих звуковых карт. По этой технологии команды подаются голосом путем произнесения специальных зарезервированных слов – команд. Основными командами являются: «Проснись» – включение голосового интерфейса; «Отдыхай» – выключение речевого интерфейса; «Открыть» – переход в режим вызова той или иной программы, имя программы называется в следующем слове; «Буду диктовать» – переход из режима команд в режим набора текста голосом; «Режим команд» – возврат в режим подачи команд голосом и др. Слова должны выговариваться четко, в одном темпе. Между словами обязательна пауза. Из-за неразвитости алгоритма распознавания речи такие системы требуют индивидуальной предварительной настройки на каждого конкретного пользователя. Речевая технология является простейшей реализацией SILK-интерфейса. 5. Биометрическая технология (мимический интерфейс). Технология возникла в конце 90-х гг. XX в. Для управления компьютером используется выражение лица человека, направление его взгляда, размер зрачка и другие признаки. Для идентификации пользователя применяется рисунок радужной оболочки его глаз, отпечатки пальцев и другая уникальная информация. Изображения считываются с цифровой видеокамеры, а затем с помощью специальных программ распознавания образов из этого изображения выделяются команды. Эта технология используется в программных продуктах и приложениях для идентификации пользователя компьютера. 6. Технология семантического интерфейса (общественного интерфейса). Технология возникла в конце 70-х гг. XX в. с развитием искусственного интеллекта и основана на семантических сетях. Данный вид интерфейса включает в себя: интерфейс командной строки, графический, речевой и мимический интерфейсы. Основная его отличительная черта – отсутствие команд при общении с компьютером. Запрос формируется на естественном языке в виде связанного текста и образов. По своей сути интерфейс является моделированием общения человека с компьютером. http://prepod-shmu.ucoz.ru/publ/lekcii/trpp/lekcija_8_quot_ponjatie_polzovatelskogo_interfejsa_quot/14-1-0-9 Операционное окружение. Понятия базовой и расширенной машин. План занятия. 1. Операционное окружение Вспомним, что основными назначениями ОС являются: управление вычислительными процессами в вычислительной системе; распределение ресурсов вычислительной системы между различными вычислительными процессами; образование программной (операционной) среды, в которой выполняются прикладные программы пользователей. Т.е. ОС - программная подсистема, при обращении к которой посредством соответствующих вызовов пользователь получает функции и сервисы. То есть необходима среда, в которой пользователь будет запускать программы. Операционная среда – набор функций и сервисов ОС и правила обращения к ним. Операционное окружение (операционная среда) – набор интерфейсов, необходимый программам и пользователям для обращения к ОС с целью получить определенные сервисы. Это совокупность компьютерных программ, обеспечивающая оператору возможность управлять вычислительными процессами и файлами. Операционная система в общем случае может содержать несколько операционных сред. Операционная среда может включать несколько интерфейсов: пользовательские и программные. Операционная среда – системное программное окружение, в котором могут выполняться программы, созданные по правилам работы этой среды. Стандартом на операционные системы (ОС) определены синтаксис и семантика языка оболочки и утилит, составляющих операционную среду компьютера, работающего под управлением такой ОС. К примеру, операционное окружение DOS состоит из всех команд DOS, доступных пользователю. Есть операционные среды, позволяющие управлять вычислительными процессами и файлами в стандартной операционной системе посредством графического пользовательского интерфейса, такие как Enlightenment, GNOME, KDE и пр. Существуют также операционные среды, предназначенные для работы под альтернативными операционными системами (например, GEOS, Microsoft Windows 1.0-3.x, 95, 98 и ME на базе MS-DOS), причем сама ОС может включаться в поставку операционной среды, а некоторые альтернативные ОС (например, Windows NT, Mac OS), наоборот, включают графические операционные среды в свой состав. Проявляется тенденция включать в операционные среды также нетрадиционные средства ввода-вывода данных (голосовой ввод, синтез голоса, распознавание рукописного ввода и др.). В различных операционных системах состав среды окружения может сильно различаться. К составу среды окружения обычно относят: системные переменные текущие пути на различных дисках (в случае поддержки нескольких дисков операционной системой) Точка монтирования каталогов (в том числе корневого), используется в unix-подобных операционных системах Связь стандартных потоков ввода-вывода с файловыми хэндлерами или устройствами (используется для перенаправления ввода-вывода) Ограничения на количество одновременно открытых файлов, стеков и т. д. Набор прав (обычно соответствует правам пользователя, запустившего процесс, но может изменяться как в сторону большего набора прав, так и в сторону ужесточения) Дисковые квоты, ограничение на максимальный объѐм оперативной памяти, загрузки процессоров и т. д. Значения показателей использования ресурсов, получаемые от родительского процесса (на некоторых системах) Также операционное окружение иногда называют контролирующей программой (control program). 2. Стандартные сервисные программы, поддерживающие операционное окружение. Одной из наиболее важных функций операционной системы является поддержка операционного окружения пользовательских задач. Оно состоит из ряда стандартных сервисных программ, которые могут быть использованы в процессе выполнения задачи и предоставлять средства для управления ресурсами вычислительной системы, выделяя их пользователю по мере надобности. В качестве примера услуг, предоставляемых операционным окружением, рассмотрим функцию ввода-вывода. Почти все операционные системы имеют стандартные программы, помогающие в осуществлении таких операций. Предположим, что программа работает на УУМ под управлением однопрограммной системы. Чтобы прочитать байт без помощи операционной системы, программа должна содержать цикл, в котором анализируется состояние устройства и выполняется команда RD. Обнаружение и исправление ошибок также возложено на саму программу. Наличие поддержки со стороны операционной системы сильно облегчает задачу. Программа пользователя может просто инициализировать стандартную сервисную программу, задав устройство, которое должно быть использовано. За всеми нюансами, такими как опрос состояния и подсчет переданных байтов, проследит операционная система. Она же примет необходимые меры по исправлению ошибок. Стандартная сервисная программа, подобная описанной выше, может восприниматься как расширение базовой машины. Типичная операционная система содержит много подобных программ. Вместе взятые, они составляют расширенную машину, которая и используется во время выполнения программы. Программам не нужно опускаться до уровня базовых аппаратных средств, поскольку все функции и возможности предоставляет расширенная машина. Она проще в использовании, чем реальная. Это касается, например, нюансов выполнения операций ввода-вывода. Есть и другие преимущества. Например, операции ввода-вывода на расширенной машине менее подвержены ошибкам, чем на реальной, так как за обнаружением и исправлением ошибок следит операционная система. Иногда расширенную машину называют виртуальной. Однако термин ―виртуальная машина‖ может иметь и другой смысл. Операционное окружение мультипрограммных операционных систем содержит также программы, которые управляют ресурсами ЭВМ, выделяя их по необходимости заданиям пользователей. Например, оперативная память распределяется между заданиями одновременно находящимися в решении, центральный процессор предоставляется заданиям, согласно заранее выбранной стратегии. За исключением конкретных запросов операционной системе заданиям пользователя нет необходимости иметь дело с управлением ресурсами. Благодаря операционному окружению каждое задание выполняется как бы на отдельной расширенной машине, хотя в действительности базовая машина может быть определена между несколькими пользователями. В некоторых системах программы пользователей могут вызывать функции операционных систем, обращаясь непосредственно к фиксированным областям памяти. В документации по операционным системам для пользователей дается описание областей, предназначенных для данных, и входных точек вместе с их реальными адресами. Иногда возможно наличие в памяти одной точки входа для всех сервисных программ, нужный тип обслуживания может быть определен при помощи кода запроса. Способ запроса связи с операционной системой при помощи обращения к фиксированной области памяти используется в микрокомпьютерах и персональных ЭВМ. 3. Режимы работы ОС. Чтобы конкурирующие процессы не могли взаимно влиять друг на друга, часть команд компьютера должны быть зарезервированы для исполнения только ОС. Эти привилегированные инструкции должны представлять такие инструкции, как: инициирование и ликвидация прерываний; переключение процессов между процессами; доступ к регистрам, используемый оборудованием защиты памяти; выполнение ввода/вывода; остановка CPU и управление его операциями (пример: инициирование и ликвидация внутренних механизмов таких, как элементы ускорения операций с плавающей точкой и кэшей памяти). Чтобы различать, когда можно, а когда нет выполнять привилегированные команды, большинство компьютеров работают более чем в одном режиме. В типичном случае есть два режима, часто известных как режим супервизора и режим пользователя. Если программе пользователя разрешить выполнение любых операций ввода-вывода, она могла бы вывести главный список паролей системы, распечатать информацию любого другого пользователя или вообще испортить операционную систему, поэтому все программы пользователя могут выполняться только в режиме пользователя. Режим супервизора — привилегированный режим работы процессора, как правило используемый для выполнения ядра операционной системы. В данном режиме работы процессора доступны привилегированные операции, как то: операции ввода-вывода к периферийным устройствам, изменение параметров защиты памяти, настроек виртуальной памяти, системных параметров и прочих параметров конфигурации. Как правило, в режиме супервизора или вообще не действуют ограничения защиты памяти или же они могут быть произвольным образом изменены, поэтому код, работающий в данном режиме, как правило, имеет полный доступ ко всем системным ресурсам (адресное пространство, регистры конфигурации процессора и т. п.). Во многих типах процессоров это наиболее привилегированный режим из всех доступных режимов. Известно одно исключение из данного правила: у некоторых современных процессоров может присутствовать ещѐ более привилегированный режим гипервизора, как правило, используемый с целью виртуализации, то есть обеспечения параллельной работы сразу нескольких операционных систем на одном процессоре. В этом случае настройки, сделанные из режима гипервизора могут вносить некоторые ограничения на прямой доступ к системным ресурсам и периферии из режима супервизора с целью предоставить гипервизору возможность арбитража и разграничения доступа к системным ресурсам и периферии незаметно для работающих параллельно операционных систем. В нормальном состоянии ЦП находится в режиме пользователя. Переход из этого режима в режим супервизора возможен только при нарушении нормальной работы специальной инструкцией или внешним событием. Такая ситуация называется исключением, а сама процедура перехода - обработкой исключения. Переключение из режима пользователя в режим супервизора происходит автоматически в следующих случаях: a. пользовательский процесс вызывает ОС для выполнения некоторых системных функций, требующих привилегированных команд. Такие вызовы называются вызовами супервизора или системными вызовами; b. возникновение прерываний; c. возникновение ошибки в пользовательском процессе. Это условие можно понимать как "внутреннее прерывание” и обрабатываться в первую очередь соответствующей процедурой прерывания; d. когда делается попытка выполнения привилегированной инструкции в режиме пользователя. Эта попытка может рассматриваться как особый вид ошибки и обрабатываться как в случае (с). Переключение из режима супервизора назад в режим пользователя происходит по привилегированной команде. Исключение - это любое нарушение нормальной работы МП. Исключения могут вызываться: выполнения инструкций, трассировка) причинами рали, прерывания) причинами. Исключения разделяются по приоритетам. Их обработка осуществляется подпрограммами, адреса которых вычисляет ЦП с использованием номера вектора исключения, генерируемого самим ЦП или передаваемым ему в цикле подтверждения прерывания. Привилегированные команды могут выполняться только операционной системой в режиме супервизора. В процессе развития компьютерных архитектур выявилась тенденция к увеличению количества привилегированных команд, т. е. команд, которые не могут выполняться в режиме задачи. Это служит свидетельством определенной тенденции к реализации большего числа функций операционных систем аппаратными средствами. Во многих случаях значительная часть функций операционной системы реализуется в аппаратуре. 4. Домашняя с/р 1. Составить таблицу: «Основные виджеты графических интерфейсов» 2. Подготовка сообщений по темам: «SILC-интерфейс», 5. Основные используемые источники https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0% BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D 0%B5 http://www.dnf.su/college/attachments/article/1/OS_04_Okrujenie.pdf http://elib.tolgas.ru/publ/Volovach_Shliapkin_Operats_sist_UMK_2012.pdf__ |
