ch2第2章操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-曲明成

2023/2/31討論操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般包括3個方面：操作系統(tǒng)所提供的服務(wù)

2.1操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)為用戶和程序員提供的接口

2.2操作系統(tǒng)的用戶界面

2.3系統(tǒng)調(diào)用（重點）

2.4系統(tǒng)調(diào)用類型

2.5系統(tǒng)程序操作系統(tǒng)組成部分及其相互關(guān)系

2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.7虛擬機與分區(qū)操作系統(tǒng)基本內(nèi)容2023/2/322.1操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)服務(wù)一般包括：用戶界面：CUI、GUI程序執(zhí)行：裝入程序、運行程序I/O操作：底層的I/O操作（啟動、讀寫、關(guān)閉等）文件系統(tǒng)操作：創(chuàng)建/復(fù)制/移動/刪除/檢索文件/目錄、

列舉文件信息等通信：IPC（進程間通信）、RPC（遠程過程調(diào)用）等錯誤檢測：硬件錯誤、算術(shù)溢出、非法地址訪問等資源分配：CPU、存儲器、外部設(shè)備等統(tǒng)計：用戶用時記帳、資源利用率等保護與安全：登錄驗證、進程越界訪問、非法訪問等2023/2/3哈工大計算機學(xué)院3系統(tǒng)接口—用戶通過它來使用操作系統(tǒng)對大多數(shù)用戶來說，操作系統(tǒng)是一個“黑盒子”操作系統(tǒng)鍵盤命令鼠標點擊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)屏幕輸出文件改變……引導(dǎo)告訴了我們這個盒子是怎么放入內(nèi)存的?在“打開這個盒子”之前要“了解盒子的入口”2.2操作系統(tǒng)的用戶界面2023/2/342.2操作系統(tǒng)的用戶界面2.2.1命令解釋程序命令解釋程序是OS的特殊程序DOS中的COMMAND.COMUNIX、Linux中的Shell（B-Shell、C-Shell）命令解釋程序的主要作用是獲取并執(zhí)行用戶給定的下一條命令內(nèi)部命令、外部命令面向?qū)I(yè)人員2023/2/3哈工大計算機學(xué)院5命令行是怎么回事?命令是什么?命令輸入后發(fā)生了什么?#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){printf(“ECHO:%s\n”,argv[1]);}gcc–ooutputoutput.c./output“hello”一段程序而已intmain(intargc,char*argv[]){charcmd[20];while(1){scanf(“%s”,cmd);

if(!fork()){exec(cmd);}else{wait();}}//while(1)}也是一段程序:shell，即/bin/sh命令得以工作的原因:OS提供了printf,fork,exec等函數(shù)(接口)2.2操作系統(tǒng)的用戶界面我們可以自己開發(fā)的命令行界面??！2023/2/32.2操作系統(tǒng)的用戶界面2.2.2圖形用戶界面DOS中的Windows1.0-3.12Windows中的DesktopLinux中的X-WindowMacOSXAqua2023/2/37使GUI工作，OS提供消息框架和相關(guān)API硬件輸入Windows應(yīng)用程序iGUI是怎么回事?鼠標點擊OUTPUT以后…voidCOutputDlg::OnOK(){GetDlgItemText(IDC_EDIT1,m_outStr);FILE*fp=fopen("d:\\out.txt","w");

fprintf(fp,m_outStr,m_outStr.GetLength());fclose(fp);}系統(tǒng)消息隊列消息循環(huán)WinMain()WM_MOUSEDOWN應(yīng)用消息隊列iWinProc1WinProc2OUTPUT按鈕的WinProc(){caseWM_MOUSEDOWN:OnOK();}2023/2/32.2操作系統(tǒng)的用戶界面2.2.3還有其他形式的用戶界面嗎？語音識別技術(shù)Google，百度語音識別系統(tǒng)和相應(yīng)的API語音識別接口將集成到操作系統(tǒng)中，一些語音命令將同傳統(tǒng)的圖形用戶接口和命令行具有相同的能力。2023/2/39總結(jié)前述最重要的概念用戶使用計算機總結(jié)：應(yīng)用操作系統(tǒng)提供的接口編寫程序；應(yīng)用這些程序解決問題命令行:命令程序+shell+字符顯示GUI:消息處理程序+消息框架+圖形顯示應(yīng)用程序:將上述部分組成一個整體…因此：用戶通過OS接口使用計算機；OS接口影響計算機的使用方式這么重要，得起個名字：接口表現(xiàn)為函數(shù)調(diào)用，又由OS提供，叫系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的首要任務(wù)…系統(tǒng)調(diào)用2.3系統(tǒng)調(diào)用2023/2/310對于指令跳轉(zhuǎn)也一樣實現(xiàn)了隔離…怎么實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用?將內(nèi)核程序和用戶程序隔離比較安全!區(qū)分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：一種處理器“硬件設(shè)計”系統(tǒng)調(diào)用處理器保護環(huán)0123核心態(tài)OS服務(wù)用戶態(tài)CPL(CS)RPL(DS)DPL檢查當前程序執(zhí)行在什么態(tài)(哪層環(huán))?由于CS:IP是當前指令，所以用CS的最低兩位來表示:0是內(nèi)核態(tài)，3是用戶態(tài)訪問的數(shù)據(jù)段最低2位內(nèi)核態(tài)可以訪問任何數(shù)據(jù)，用戶態(tài)不能訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)2.3系統(tǒng)調(diào)用當前指令段最低2位被調(diào)用代碼段級別2023/2/311對于Intelx86，那就是中斷指令int（trap陷阱指令）int指令將使CS中的CPL改成0，“進入內(nèi)核”這是用戶程序發(fā)起的調(diào)用內(nèi)核代碼的唯一方式若用戶程序想調(diào)內(nèi)核代碼:須有用戶態(tài)進入內(nèi)核態(tài)，寫一段包含int指令的代碼系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn):(1)用戶程序中寫上一段包含int指令的代碼(2)OS寫中斷處理代碼，獲取欲調(diào)用程序的編號(3)OS根據(jù)編號轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的代碼由誰做?庫函數(shù)!系統(tǒng)調(diào)用編號2.3系統(tǒng)調(diào)用硬件提供了“主動進入內(nèi)核的方法”DOS為INT21H，Windows2K為2EH，Linux為080H）2023/2/3哈工大計算機學(xué)院12系統(tǒng)調(diào)用的處理過程

SystemCalli號系統(tǒng)調(diào)用用戶程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統(tǒng)調(diào)用處理子程序取系統(tǒng)功能號查入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場A0A1…Ai…An保護CPU現(xiàn)場陷入指令int系統(tǒng)調(diào)用陷入機構(gòu)入口地址表2.3系統(tǒng)調(diào)用01…i…n2023/2/313系統(tǒng)調(diào)用展開執(zhí)行示例應(yīng)用程序intmain(){…scanf(…);…}C庫展開intread{…moveeax,3int0x80;…}中斷處理entry(system_call){saveall…callsys_read3…restoreall;}內(nèi)核函數(shù)sys_read3(){…ret}用戶態(tài)核心態(tài)2023/2/3142.3系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用號：用寄存器eax內(nèi)容指定最多直接傳遞3個參數(shù)：用寄存器ebx，ecx，edx有3種傳遞參數(shù)的方式：（1）直接用寄存器ebx，ecx，edx，最多3個參數(shù)（2）指定內(nèi)存塊，任意多個參數(shù)，可以用ebx、

ecx、edx任意2個指定地址和個數(shù)（3）用系統(tǒng)棧，任意多個參數(shù)，寄存器可用可不

用（因為參數(shù)個數(shù)可放在棧內(nèi)）系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)傳遞：規(guī)則誰來制定？誰來實現(xiàn)規(guī)則？答案：編譯器2023/2/3152.3系統(tǒng)調(diào)用API：ApplicationProgramInterfaceAPI是對SystemCall的封裝Win32API2000多個POSIXAPI100多個JavaAPI10000多個Linux2.X版本有200多個系統(tǒng)調(diào)用SystemCall更底層，使用需知道更多細節(jié)API是用SystemCall封裝而成，使用方便，

程序可移植性好API與SystemCall的區(qū)別與聯(lián)系？2023/2/3哈工大計算機學(xué)院162.4系統(tǒng)調(diào)用類型進程控制：創(chuàng)建、裝入、執(zhí)行、終止、等待、喚醒、

內(nèi)存分配與釋放……文件管理：創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀、寫、重定

位、屬性獲取及設(shè)置……設(shè)備管理：請求、釋放、讀、寫、重定位、屬性獲得

設(shè)置、連接與斷開信息維護：讀取/設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)、讀取/設(shè)置時間及日

期、讀取/設(shè)置進程/文件/設(shè)備等屬性通信：創(chuàng)建/刪除通信連接、收發(fā)消息、連接/斷開遠

端設(shè)備五大類：進程控制、文件管理、設(shè)備管理、信息維護、通信2023/2/3172.5系統(tǒng)程序文件管理：創(chuàng)建、刪除、復(fù)制、命名、備份、格式化

等，如資源管理器等系統(tǒng)維護：監(jiān)測、設(shè)置、性能分析等，如：安裝軟件，

TaskManager，RegEdit，PS，LS，Kill等程序開發(fā)支持：各類語言編輯/編譯器，IDE開發(fā)環(huán)境，

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信：遠程登錄，網(wǎng)上鄰居，網(wǎng)頁瀏覽器等系統(tǒng)程序：介于操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序之間的程序，主要提供一個方便的環(huán)境，利用開發(fā)程序和執(zhí)行程序2023/2/3哈工大計算機學(xué)院182.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MS-DOS層次結(jié)構(gòu)1.簡單結(jié)構(gòu)：整個操作系統(tǒng)近乎是個單一的整體，不注重模

塊的劃分和接口與功能層次。典型例子：DOS應(yīng)用程序系統(tǒng)駐留程序MS-DOS設(shè)備驅(qū)動ROMBIOS設(shè)備驅(qū)動2023/2/3192.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Linux單內(nèi)核結(jié)構(gòu)用戶態(tài)系統(tǒng)庫(函數(shù)庫)應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用接口模塊內(nèi)核(進程管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理)設(shè)備驅(qū)動計算機硬件核心態(tài)單內(nèi)核2.模塊化：面向?qū)ο蠹夹g(shù)生成模塊化的內(nèi)核。使用動態(tài)加載模塊，現(xiàn)代UNIX,Solaris,Linux,MacosX類似于微內(nèi)核，核心內(nèi)核具有基本功能，內(nèi)核掌握其他模塊加載和通信的接口，模塊之間可以相互調(diào)用2023/2/3哈工大計算機學(xué)院202.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型2.分層結(jié)構(gòu)：整個操作系統(tǒng)分為若干層，至底向上層層封裝第i層只能調(diào)用0..i-1層提供的函數(shù)或調(diào)用；更嚴格的分層：第i層只能調(diào)用i-1層提供的函數(shù)或調(diào)用優(yōu)點是構(gòu)造和調(diào)試的簡單化。缺點：分層法主要困難是對層的詳細定義，這是因為一層只能使用其下的較低層。分層結(jié)構(gòu)效率低。2023/2/3212.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.分層結(jié)構(gòu)：整個操作系統(tǒng)分為若干層，至底向上層層封裝最高層：接口中間層：對對象進行操縱和管理的軟件集合最底層：OS操縱和管理的對象，包括各類軟硬件資源UNIX操作系統(tǒng)Windows2023/2/322

操作系統(tǒng)服務(wù)進程客戶進程1客戶進程2文件服務(wù)器進程服務(wù)器主存服務(wù)器……微內(nèi)核(消息傳遞、進程調(diào)度、內(nèi)存管理)計算機硬件用戶進程用戶態(tài)核心態(tài)客戶通過微內(nèi)核發(fā)送消息給文件服務(wù)器2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)模型（QNX,Mach,Vxworks）3.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：將最基本的功能作為內(nèi)核存在，主要包括最小的進程管理、內(nèi)存管理和通信功能，其他功能作為系統(tǒng)程序或用戶程序出現(xiàn)。采用CS模式（client-server）2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：將最基本的功能作為內(nèi)核存在，主要包括最小的進程管理、內(nèi)存管理和通信功能，其他功能作為系統(tǒng)程序或用戶程序出現(xiàn)。2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：RTEMS介紹2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)：幾種優(yōu)秀操作系統(tǒng)比較2023/2/3262.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)模型（QNX,Mach,Vxworks）3.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)2023/2/3哈工大計算機學(xué)院27

2.7虛擬機VMWare結(jié)構(gòu)模型虛擬機：是一種操作系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)。首先，對硬件進行第1層抽象封裝（一般是一個完整的操作系統(tǒng)），之后以該層為基礎(chǔ)，再封裝第二層虛擬硬件抽象，然后實現(xiàn)支持多個操作系統(tǒng)。應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用客戶操作系統(tǒng)（OS/2）虛擬CPU虛擬內(nèi)存虛擬設(shè)備客戶操作系統(tǒng)（DOS）虛擬CPU虛擬內(nèi)存虛擬設(shè)備客戶操作系統(tǒng)（Linux）虛擬CPU虛擬內(nèi)存虛擬設(shè)備宿主操作系統(tǒng)（WindowsXP）硬件（CPU內(nèi)存I/O設(shè)備）2023/2/3282.7虛擬機虛擬機：虛擬機監(jiān)控器VMM+虛擬機VM——典型的云計算平臺，openstack、vmware、阿里云2023/2/3292.7虛擬機虛擬機實現(xiàn)技術(shù)傳統(tǒng)x86機器的虛擬化：虛擬機監(jiān)視器(VMM）代表客戶操作系統(tǒng)來聽取、中斷與執(zhí)行特定指令的需要，效率低。VT-x是intel運用Virtualization虛擬化技術(shù)中的一個指令集，是CPU的硬件虛擬化技術(shù)，VT可以同時提升虛擬化效率和虛擬機的安全性，在x86平臺上的VT技術(shù)，一般稱之為VT-x。2023/2/3302.7虛擬機虛擬機實現(xiàn)技術(shù)為了建立這種兩個操作模式的架構(gòu)，VT-x設(shè)計了一個Virtual-MachineControlStructure（VMCS，虛擬機控制結(jié)構(gòu)）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；包括了Guest-StateArea（客戶狀態(tài)區(qū)）和Host-StateArea（主機狀態(tài)區(qū)），用來保存虛擬機以及主機的各種狀態(tài)參數(shù)；并提供了VMentry和VMexit兩種操作在虛擬機與VMM之間切換用戶可以通過在VMCS的VM-executioncontrolfields里面指定在執(zhí)行何種指令/發(fā)生何種事件的時候，VMXnon-rootoperation環(huán)境下的虛擬機就執(zhí)行VMexit，從而讓VMM獲得控制權(quán)，因此VT-x解決了虛擬機的隔離問題，又解決了性能問