第2章 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和硬件支持

1、第2章 OS的結(jié)構(gòu)與硬件支持一、什么是OS虛擬機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須提供一個(gè)良好的工作環(huán)境幫助用戶(hù)快且方便的解決各類(lèi)問(wèn)題：硬件層：裸機(jī)，由CPU、存儲(chǔ)器和外部設(shè)備構(gòu)成，是OS與用戶(hù)進(jìn)程賴(lài)以活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境；配置在裸機(jī)上的第一層軟件是OS；在裸機(jī)上配置了OS后就構(gòu)成了OS虛擬機(jī)；OS虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)圖：裸機(jī)OS擴(kuò)充后的機(jī)器應(yīng)用程序用戶(hù)程序2.1 OS虛擬機(jī)（1/2）二、什么是操作命令語(yǔ)言擴(kuò)充后的虛擬機(jī)不僅可以使用原來(lái)裸機(jī)提供的各種基本硬件指令，并且可以使用OS中增加的許多其它的“指令”，這些指令統(tǒng)稱(chēng)為擴(kuò)充機(jī)器的指令系統(tǒng)，又稱(chēng)為操作命令語(yǔ)言。系統(tǒng)所提供的全部操作命令的集合即為操作命令語(yǔ)言。它是用戶(hù)和系統(tǒng)進(jìn)

2、行通信的手段和界面，即OS提供的用戶(hù)界面，有兩種形式：操作命令鍵盤(pán)命令作業(yè)控制語(yǔ)言圖形化用戶(hù)界面系統(tǒng)功能調(diào)用2.1 OS虛擬機(jī)（2/2）一、OS的組織結(jié)構(gòu)主要研究的問(wèn)題OS由處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、輸入/輸出管理、文件管理等功能模塊組成；如何將這些模塊構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，這些模塊之間如何調(diào)用，這些模塊如何對(duì)外提供接口，這些即為OS的結(jié)構(gòu)問(wèn)題；OS的組織結(jié)構(gòu)主要包括三方面的內(nèi)容：模塊結(jié)構(gòu)：組成系統(tǒng)的不同功能如何分組和交互；接口：OS提供給用戶(hù)、用戶(hù)程序或上層軟件使用系統(tǒng)的手段；運(yùn)行時(shí)的組織結(jié)構(gòu)：執(zhí)行過(guò)程中存在的實(shí)體類(lèi)型及調(diào)用方式。2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（1/7）二、OS的組織結(jié)構(gòu)OS由內(nèi)核（核心層

3、）和其它一些功能層組成，核心層包括OS最重要的功能模塊，包括處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理。通常所說(shuō)的OS其實(shí)指的是OS的內(nèi)核。常見(jiàn)的OS的組織結(jié)構(gòu)有如下四種，一個(gè)OS在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)不會(huì)十分清晰的采用某一種方式，但主體上會(huì)采用這四種方式之一：?jiǎn)误w結(jié)構(gòu)；模塊結(jié)構(gòu)；可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)；層次結(jié)構(gòu)。 P352.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（2/7）二、OS的組織結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)OS是一組過(guò)程的集合，每一個(gè)過(guò)程都有一個(gè)定義好的接口，包括入口參數(shù)和返回值；過(guò)程之間可以相互調(diào)用不受約束；也叫做無(wú)結(jié)構(gòu)；許多OS采用；簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，性能高；難以理解，難以維護(hù)，難以驗(yàn)證其正確性；大多數(shù)的 UNIX及Linux內(nèi)核都采用

4、單體結(jié)構(gòu)；2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（3/7）模塊結(jié)構(gòu) 采用面向?qū)ο蟮乃枷牒驼Z(yǔ)言設(shè)計(jì)、建立OS，其功能通過(guò)邏輯獨(dú)立的模塊來(lái)劃分；有利于OS的理解與維護(hù)；存在潛在的性能退化；存在一個(gè)實(shí)驗(yàn)性O(shè)S，Choices；沒(méi)有商業(yè)化OS采用；可擴(kuò)展內(nèi)核結(jié)構(gòu)將OS的核心分為基礎(chǔ)核心和其它核心功能兩部分；基礎(chǔ)核心又稱(chēng)為微內(nèi)核，可擴(kuò)展內(nèi)核；微內(nèi)核結(jié)構(gòu)基于客戶(hù)/服務(wù)器模式，由微內(nèi)核和核外的服務(wù)器進(jìn)程組成。Linux之前的Minix即采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只負(fù)責(zé)處理進(jìn)程間通信和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等底層功能，而將存儲(chǔ)管理和文件系統(tǒng)從內(nèi)核分離出去，稱(chēng)為單獨(dú)的進(jìn)程運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核最小化；2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（4/7）層次結(jié)構(gòu) OS由若干

5、層構(gòu)成，每一層提供一套功能，該功能僅依賴(lài)于該層以?xún)?nèi)的各層；作為一種指導(dǎo)性原則，在設(shè)計(jì)OS時(shí)借鑒和參考。裸機(jī)存儲(chǔ)管理I/O管理文件管理資源分配和調(diào)度初級(jí)中斷處理進(jìn)程控制進(jìn)程通信處理機(jī)分派2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（5/7）三、運(yùn)行時(shí)的組織結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能調(diào)用方式OS內(nèi)核服務(wù)例程用戶(hù)進(jìn)程庫(kù)或內(nèi)核調(diào)用返回2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（6/7）三、運(yùn)行時(shí)的組織結(jié)構(gòu)客戶(hù)/服務(wù)器方式用戶(hù)進(jìn)程 客戶(hù)端OS內(nèi)核服務(wù)例程發(fā)送請(qǐng)求返回結(jié)果2.2 OS的組織結(jié)構(gòu)（7/7）支持OS運(yùn)行的硬件之一CPU一般的處理器由運(yùn)算器、控制器、一系列的寄存器以及高速緩存構(gòu)成；處理器一般包括兩類(lèi)寄存器：通用寄存器(保存操作數(shù)及運(yùn)算結(jié)果)及狀態(tài)寄存

6、器（如PC、IR、PSW）；指令執(zhí)行的基本過(guò)程：特權(quán)指令和非特權(quán)指令特權(quán)指令：在指令系統(tǒng)中那些只能由操作系統(tǒng)使用的指令；非特權(quán)指令：允許一般的用戶(hù)使用的指令；2.3 處理機(jī)的特權(quán)級(jí)（1/3）支持OS運(yùn)行的硬件之一CPU特權(quán)指令的功能改變機(jī)器狀態(tài)修改特殊寄存器控制外部設(shè)備的輸入/輸出處理機(jī)的狀態(tài)管態(tài)（特權(quán)態(tài)、特態(tài)、系統(tǒng)態(tài)）：指操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)?？梢詧?zhí)行全部指令，使用所有資源，具有改變處理機(jī)狀態(tài)的能力，允許訪問(wèn)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。用戶(hù)態(tài)（普通態(tài)、普態(tài)、目態(tài)）：指用戶(hù)程序運(yùn)行時(shí)機(jī)器所處的狀態(tài)。只能執(zhí)行非特權(quán)指令，不能直接取用資源與改變機(jī)器狀態(tài)，只允許用戶(hù)訪問(wèn)自己的存儲(chǔ)區(qū)。 有些系統(tǒng)分為核

7、態(tài)、管態(tài)和用戶(hù)態(tài)。2.3 處理機(jī)的特權(quán)級(jí)（2/3）支持OS運(yùn)行的硬件之一CPU程序狀態(tài)字PSW用來(lái)指示處理器狀態(tài)，通常包括以下?tīng)顟B(tài)代碼：CPU的工作狀態(tài)代碼 條件碼 中斷屏蔽碼處理機(jī)狀態(tài)的改變：由用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)向管態(tài)用戶(hù)進(jìn)程訪問(wèn)OS，要求OS的某種服務(wù)；發(fā)生一次中斷；在一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程中產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)；在用戶(hù)態(tài)下企圖執(zhí)行一條特權(quán)指令；15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0TSI2I1I0XNZVC進(jìn)位溢出零負(fù)中斷屏蔽位cpu狀態(tài)陷阱中斷2.3 處理機(jī)的特權(quán)級(jí)（3/3）一、中斷的相關(guān)概念某個(gè)事件（如，電源掉電、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

8、運(yùn)行，引出處理該事件的程序進(jìn)行處理，處理完畢后返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行的全過(guò)程稱(chēng)為中斷；中斷的意義：是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ),是構(gòu)成多道程序運(yùn)行環(huán)境的根本措施。為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)活動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化工作，系統(tǒng)必須具備處理中斷的能力。2.4 中斷及其處理（1/7）中斷返回用戶(hù)程序中斷進(jìn)入繼續(xù)執(zhí)行中斷信號(hào)中斷處理程序一、中斷的相關(guān)概念引起中斷的那些事件稱(chēng)為中斷事件或中斷源；中斷源向處理器發(fā)出的請(qǐng)求信號(hào)稱(chēng)為中斷請(qǐng)求；把處理中斷事件的那段程序稱(chēng)為中斷處理程序；發(fā)生中斷時(shí)正在執(zhí)行的程序的暫停點(diǎn)叫做中斷斷點(diǎn)；處理器暫停當(dāng)前程序轉(zhuǎn)而處理中斷的過(guò)程稱(chēng)為中斷響應(yīng)；中斷處理結(jié)束之后恢復(fù)原來(lái)程序的執(zhí)行稱(chēng)為中斷返回；

9、一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的中斷源的有序集合稱(chēng)為中斷字。2.4 中斷及其處理（2/7）二、中斷的類(lèi)型按中斷功能分類(lèi)輸入輸出中斷外中斷機(jī)器故障中斷程序性中斷訪管中斷按中斷方式分類(lèi)強(qiáng)迫性中斷自愿中斷按中斷來(lái)源分類(lèi)中斷俘獲 2.4 中斷及其處理（3/7）三、向量中斷和探詢(xún)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(chēng)為向量中斷。中斷向量：存儲(chǔ)該類(lèi)型中斷的中斷服務(wù)例行程序的入口地址和處理器狀態(tài)字的存儲(chǔ)單元；系統(tǒng)中所有中斷類(lèi)型的中斷向量放在一起，形成中斷向量表。主存中有特定區(qū)域用來(lái)存放中斷向量表。探詢(xún)中斷：另一種中斷機(jī)制。中斷類(lèi)型中斷向量PC及PS值終端輸入060062終端輸入處理程序入口

10、地址0200(八進(jìn)制數(shù))2.4 中斷及其處理（4/7）三、中斷進(jìn)入中斷裝置（中斷系統(tǒng)）：發(fā)現(xiàn)中斷源而產(chǎn)生中斷過(guò)程的設(shè)備。中斷系統(tǒng)的職能是實(shí)現(xiàn)中斷的進(jìn)入，即實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)的過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)信息：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，最重要的是后繼指令所在主存的單元號(hào)，程序運(yùn)行時(shí)的機(jī)器狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)保護(hù)：中斷發(fā)生時(shí)必須立即將現(xiàn)場(chǎng)信息保存到主存中，這一過(guò)程；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：為了確保被中斷的程序從恢復(fù)點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，必須在該程序重新運(yùn)行之前，把保留的該程序的現(xiàn)場(chǎng)信息從主存送至相應(yīng)的寄存器，這一過(guò)程。2.4 中斷及其處理（5/7）三、中斷進(jìn)入中斷響應(yīng)：當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)已有中斷請(qǐng)求時(shí)，中止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，并自動(dòng)引出中斷處理程序的過(guò)程。中斷響應(yīng)的實(shí)質(zhì)是交換指令執(zhí)行地址和處理器狀態(tài)：將程序狀態(tài)字寄存器的內(nèi)容存放道主存約定單元，將處理中斷程序的指令執(zhí)行地址和處理器狀態(tài)送入相應(yīng)的寄存器中。中斷響應(yīng)全過(guò)程舉例：當(dāng)某一設(shè)備完成I/O操作時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，則中斷響應(yīng)全過(guò)程如下：1、當(dāng)優(yōu)先級(jí)滿足時(shí)，處理機(jī)中斷現(xiàn)行程序的運(yùn)行；2、設(shè)備向處理器發(fā)出中斷命令和中斷向量地址； 3、當(dāng)前處理器狀態(tài)字(PS)寄存器和指令計(jì)數(shù)器(PC)的內(nèi)容自動(dòng)進(jìn) 入系統(tǒng)堆棧； 4、從中斷向量地址中得到新的PC,PS內(nèi)容分別