操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu).ppt

第二章 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu),（一） 操作系統(tǒng)虛擬機(jī) （二） 操作系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu) （三） 處理機(jī)的狀態(tài) （四） 中斷技術(shù),（一）操作系統(tǒng)虛擬機(jī),為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的使用效率和方便用戶,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必須配備操作系統(tǒng). 操作系統(tǒng)是一個(gè)大型的軟件，規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。操作系統(tǒng)必須是一個(gè)清晰、正確的邏輯結(jié)構(gòu)。,什么是操作系統(tǒng)虛擬機(jī),在裸機(jī)上配置了操作系統(tǒng)程序后就構(gòu)成了操作系統(tǒng)虛擬機(jī)。 操作系統(tǒng)的核心在裸機(jī)上運(yùn)行 用戶程序在擴(kuò)充后的機(jī)器上運(yùn)行,裸機(jī)的指令系統(tǒng)是什么？ 機(jī)器指令 操作系統(tǒng)虛擬機(jī)的指令系統(tǒng)？,操作系統(tǒng)虛擬機(jī)的指令系統(tǒng)，又稱為操作命令語(yǔ)言。虛擬機(jī)的功能是通過(guò)它提供的命令體現(xiàn)的。,（1）操作命令（又稱命令接口） 作業(yè)控制語(yǔ)言、鍵盤(pán)命令、圖形化用戶界面 （2）系統(tǒng)功能調(diào)用（又稱程序接口）,（二） 操作系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu),CC、Shell、用戶程序,裸機(jī),UNIX系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),Unix系統(tǒng)組成： 硬件（裸機(jī)） 核心層 實(shí)用層 其他應(yīng)用程序,UNIX系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu),1. 進(jìn)程控制子系統(tǒng) 進(jìn)程同步、進(jìn)程間通信、進(jìn)程調(diào)度和存儲(chǔ)管理 2.文件子系統(tǒng) 文件存儲(chǔ)空間管理、文件操作及存取控制、高速緩沖機(jī)制,Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),（三） 處理機(jī)的狀態(tài),1. 設(shè)置處理機(jī)狀態(tài)的目的 為操作系統(tǒng)建立一個(gè)保護(hù)環(huán)境，采用的方法是區(qū)分處理機(jī)的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)中有兩類程序： 管理程序 用戶程序 管理系統(tǒng)資源 使用資源、提出申請(qǐng) 控制程序運(yùn)行 被控制 2. 什么是處理機(jī)的態(tài) 中央處理機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)前它正在執(zhí)行哪類程序，決定處理機(jī)的態(tài)。,3. 處理機(jī)態(tài)的類別 （1）核態(tài)（Kernel mode） 操作系統(tǒng)的管理程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)。 使用全部指令（包括一組特權(quán)指令） 使用全部系統(tǒng)資源（包括整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域） （2）管態(tài)（Supervisor mode） 管態(tài)比核態(tài)的權(quán)限低，在此狀態(tài)下允許使用一些用戶態(tài)下不能使用的資源，但不能使用修改CPU狀態(tài)的指令。 無(wú)核態(tài)時(shí),管態(tài)執(zhí)行核態(tài)的全部功能。,（3）用戶態(tài)（User mode） 用戶程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權(quán)指令，不能直接取用資源與改機(jī)器狀態(tài)，并且只允許用戶程序訪問(wèn)自己的存儲(chǔ)區(qū)域。,管態(tài) 用戶態(tài) 操作系統(tǒng)的程序執(zhí)行 用戶程序執(zhí)行 使用全部指令 禁止使用特權(quán)指令 （包括一組特權(quán)指令） 使用全部系統(tǒng)資源 只允許用戶程序訪問(wèn) （包括整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域） 自己的存儲(chǔ)區(qū)域,處理機(jī)的狀態(tài)不斷變化，它有時(shí)會(huì)處于用戶態(tài)，有時(shí)會(huì)處于管態(tài)。,UNIX系統(tǒng)處理機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換,4. 特權(quán)指令集,在核態(tài)下操作系統(tǒng)可以使用所有指令，包括一組特權(quán)指令。 改變機(jī)器狀態(tài)的指令 修改特殊寄存器的指令 涉及外部設(shè)備的輸入/輸出指令 允許和禁止中斷； 在進(jìn)程之間切換處理機(jī)； 存取用于內(nèi)存保護(hù)的寄存器； 執(zhí)行輸入和輸出操作； 停止一個(gè)中央處理機(jī)的工作。,實(shí)例操作系統(tǒng)如何區(qū)分處理機(jī)的狀態(tài),DOS系統(tǒng) 不分態(tài) Windows系統(tǒng) 現(xiàn)分為兩態(tài)用戶態(tài)、系統(tǒng)態(tài) Unix（Linux）系統(tǒng) 分為三態(tài)：核態(tài)、管態(tài)、用戶態(tài) 如何實(shí)現(xiàn)？,由用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核態(tài) 用戶程序請(qǐng)求操作系統(tǒng)的服務(wù) 發(fā)生中斷 用戶程序中產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤的狀態(tài) 在用戶程序中執(zhí)行一條特權(quán)指令 從核態(tài)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)用一條指令實(shí)現(xiàn)，中斷返回指令。,存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器（主存、內(nèi)存）： 處理機(jī)能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器稱為主存儲(chǔ)器，用來(lái)存放正在或?qū)⒁獔?zhí)行的系統(tǒng)和用戶程序和數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行時(shí)要求的臨時(shí)存儲(chǔ)空間。 只讀存儲(chǔ)器ROM(Read-only memory)： ROM稱為BIOS，用來(lái)存放基本的I/O程序。 隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器 RAM（random access memory) 輔存儲(chǔ)器（輔存、外存）： 處理機(jī)不能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，如磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等，用來(lái)存放大量的數(shù)據(jù)信息。,必要的硬件支持,時(shí)鐘,時(shí)鐘是操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必不可少的硬設(shè)施，它以固定的時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷信號(hào)，這對(duì)于實(shí)施進(jìn)程調(diào)度、計(jì)算系統(tǒng)資源的消耗、實(shí)時(shí)控制等功能是必不可少的。 在操作系統(tǒng)中需時(shí)鐘支持的工作有： 處理機(jī)調(diào)度； 實(shí)時(shí)控制； 提供用戶和系統(tǒng)所需的絕對(duì)時(shí)間（日歷時(shí)鐘、墻鐘）。,（四） 中斷技術(shù),一. 中斷概念 所謂中斷是指某個(gè)事件（例如鍵盤(pán)輸入、定點(diǎn)加法溢出或I/O傳輸結(jié)束等）發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中止現(xiàn)行程序的運(yùn)行、引出處理事件程序?qū)υ撌录M(jìn)行處理，處理完畢后返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行。,中斷源：引起中斷的事件稱中斷源，如打印完成中斷，其中斷源是打印機(jī)。 斷點(diǎn)：發(fā)生中斷時(shí)正在運(yùn)行的程序被暫時(shí)停止，程序的暫停點(diǎn)稱為斷點(diǎn)。 中斷響應(yīng)：是處理機(jī)發(fā)現(xiàn)有中斷請(qǐng)求時(shí)，中止現(xiàn)運(yùn)行程序的執(zhí)行并自動(dòng)引出中斷處理程序的過(guò)程。 中斷由軟硬件協(xié)同處理 中斷裝置：指發(fā)現(xiàn)中斷，響應(yīng)中斷的硬件 中斷處理程序：對(duì)中斷事件進(jìn)行處理的程序，由軟件來(lái)完成,二. 中斷類型 按中斷功能分類 （1）輸入輸出中斷： 外部設(shè)備或通道操作正常結(jié)束或錯(cuò)誤時(shí)所發(fā)生的中斷。 如I/O傳輸結(jié)束或出錯(cuò)中斷。 （2）外中斷： 外部非通道式裝置所引起的中斷。 時(shí)鐘中斷、操作員控制臺(tái)中斷、通信中斷等。 （3）機(jī)器故障中斷： 機(jī)器發(fā)生故障時(shí)的中斷。 電源故障、主存取指令錯(cuò)、長(zhǎng)線傳輸?shù)钠媾夹ｒ?yàn)錯(cuò)等。 （4）程序性中斷： 程序性質(zhì)的錯(cuò)誤或某些特定狀態(tài)而產(chǎn)生的中斷。 浮點(diǎn)溢出、用戶態(tài)下用核態(tài)指令、越界、非法操作等。 （5）訪管中斷： 對(duì)操作系統(tǒng)提出某種需求時(shí)發(fā)出的中斷稱為訪管中斷。,外部中斷和內(nèi)部中斷 來(lái)自處理機(jī)外部的事件，稱為外部中斷，如I/O中斷、外中斷。 來(lái)自處理機(jī)的中斷，稱為內(nèi)部中斷，如硬件故障中斷、程序性中斷、訪管中斷。這類中斷有時(shí)稱俘獲（也有稱陷入、陷阱、自陷、捕俘等，它的英文名稱為 trap，來(lái)自早期的UNIX系統(tǒng)） 強(qiáng)迫性中斷 和 自愿性中斷 不是正在運(yùn)行的程序所期待的，而是由某種事故或外部請(qǐng)求信號(hào)所引起的 運(yùn)行程序所期待的事件，由于執(zhí)行訪管指令而引起的,中斷的分類：,三. 中斷進(jìn)入 對(duì)中斷請(qǐng)求的整個(gè)處理過(guò)程稱為中斷處理，它是由軟、硬件結(jié)合形成的一套中斷機(jī)構(gòu)實(shí)施的。,1. 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) （1）現(xiàn)場(chǎng) 是指在中斷的那一時(shí)刻能確保程序繼續(xù)運(yùn)行的有關(guān)信息。 主要包括 后繼指令所在主存的單元號(hào) 程序運(yùn)行所處的狀態(tài) 指令執(zhí)行情況 以及程序執(zhí)行的中間結(jié)果等,（2）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，必須立即把現(xiàn)場(chǎng)信息保存在主存中，這一工作稱之為保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。 （3）恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 程序重新運(yùn)行之前，把保留的該程序現(xiàn)場(chǎng)信息從主存中送至相應(yīng)的指令計(jì)數(shù)器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。完成這些工作稱為恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。,2. 程序狀態(tài)字（psw） （1）什么是程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字是反映程序執(zhí)行時(shí)機(jī)器所處的現(xiàn)行狀態(tài)的代碼。 主要內(nèi)容包括 程序現(xiàn)在應(yīng)該執(zhí)行哪條指令 當(dāng)前指令執(zhí)行情況 機(jī)器處于何種程序狀態(tài) 程序在執(zhí)行時(shí)應(yīng)該屏蔽哪些中斷 尋址方法、編址、保護(hù)鍵 響應(yīng)中斷的內(nèi)容,（2）程序狀態(tài)字的例子 IBM370機(jī) 程序狀態(tài)字內(nèi)容 PSW寄存器 IBM PC機(jī) 程序狀態(tài)字內(nèi)容 CS IP 指令地址 flag 標(biāo)志寄存器 PDP 11系列機(jī) 程序狀態(tài)字內(nèi)容 PC 指令計(jì)數(shù)器 PS 處理器狀態(tài)寄存器,3. 什么是中斷響應(yīng) （1）什么是中斷響應(yīng),（1）什么是中斷響應(yīng) 中斷響應(yīng)是當(dāng)中央處理機(jī)發(fā)現(xiàn)已有中斷請(qǐng)求時(shí)，中止現(xiàn)行程序執(zhí)行，并自動(dòng)引出中斷處理程序的過(guò)程。 中斷響應(yīng)過(guò)程： 保留程序斷點(diǎn)及處理機(jī)有關(guān)信息 自動(dòng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序 （2）中斷響應(yīng)的實(shí)質(zhì) 交換指令地址及處理機(jī)的狀態(tài)信息,（3）中斷響應(yīng)過(guò)程（硬件完成）,PC,PS,PS進(jìn)棧,PC進(jìn)棧,堆 棧,中斷處理程序的PC,中斷處理程序的PS,內(nèi) 存,1,2,3,4,棧頂指針,四. 軟件的中斷處理過(guò)程 當(dāng)硬件完成了中斷進(jìn)入后，轉(zhuǎn)到中斷處理程序，進(jìn)入軟件中斷處理過(guò)程。這個(gè)過(guò)程主要有如下三項(xiàng)工作： （1）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和傳遞參數(shù)； （2）執(zhí)行相應(yīng)的中斷（或自陷）處理程序； （3）恢復(fù)和退出。,注: 在中斷進(jìn)入時(shí)由硬件保護(hù)了被中斷程序的PC和PS， 在中斷處理中保護(hù)各寄存器的值和其它狀態(tài)信息。,中斷處理（軟件完成）,保存被中斷程序現(xiàn)場(chǎng),兩種中斷機(jī)構(gòu),CPU,磁盤(pán),打印機(jī),磁帶,鍵盤(pán),1.向量中斷機(jī)構(gòu),2.探詢中斷機(jī)構(gòu),五. 向量中斷 1. 什么是向量中斷 當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，由中斷源自己引導(dǎo)處理機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序的中斷過(guò)程稱為向量中斷。 2. 中斷向量 中斷向量是存儲(chǔ)某類型中斷的中斷服務(wù)例行程序的入口地址和處理機(jī)