操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PDP-11機(jī)器的處理器狀態(tài)寄存器示例計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

3中斷向量中斷/異常向量：一個(gè)存放中斷/異常處理程序入口地址和程序運(yùn)行所需處理機(jī)狀態(tài)字的內(nèi)存單元。硬件按中斷號(hào)、異常類型的不同通過(guò)中斷向量表轉(zhuǎn)移。當(dāng)前先前優(yōu)先級(jí)特征位狀態(tài)狀態(tài)PDP-11機(jī)器的中斷向量示例

TNZVC

15141312870150PCPS兩個(gè)連續(xù)單元計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.2.2中斷/異常處理中斷/異常處理的一般過(guò)程：中斷,異常進(jìn)入；保存現(xiàn)場(chǎng)；分析原因,轉(zhuǎn)中斷(異常)處理程序；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中斷處理的流程圖：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)分析中斷原因

該級(jí)還有中斷？有條件地進(jìn)行低調(diào)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入中斷/異常中斷/異?，F(xiàn)行程序計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)PDP-11上的UNIX中斷處理詳細(xì)過(guò)程：1.中斷,異常進(jìn)入

硬件自動(dòng)將當(dāng)前PC,PS存入暫存寄存器；硬件按中斷號(hào)從指定的中斷向量單元中取出PC,PS內(nèi)容裝入PC,PS寄存器,同時(shí)填入PS寄存器的“先前狀態(tài)”和“當(dāng)前狀態(tài)”；將原PC,PS保存到現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)棧(一般有用戶棧和核心棧兩種，此時(shí)指保存于核心棧）。完成上述以后分類型作如下處理：中斷：轉(zhuǎn)入相應(yīng)中斷處理程序。異常：轉(zhuǎn)入一個(gè)入口地址為trap的處理程序，根據(jù)不同的異常類型號(hào)作不同的處理。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一般的中斷/異常處理過(guò)程包括三個(gè)階段：保存現(xiàn)場(chǎng)分析原因后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)UNIX專門設(shè)置了一個(gè)call的總控程序，負(fù)責(zé)完成這三階段的工作。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.保存現(xiàn)場(chǎng)保存的區(qū)域:1）分散：每個(gè)進(jìn)程設(shè)有一片現(xiàn)場(chǎng)區(qū)，中斷/異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)信息保存在該現(xiàn)場(chǎng)區(qū)。例如UNIX系統(tǒng)2）集中分散：系統(tǒng)設(shè)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)，進(jìn)程具有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)，中斷時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息保存在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)；異常時(shí)，保存在進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)區(qū)。例如VMS操作系統(tǒng)保存形式：“?！苯Y(jié)構(gòu)（待續(xù)）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“棧”結(jié)構(gòu)

“后進(jìn)先出”思想棧進(jìn)出棧棧頂棧底進(jìn)隊(duì)列出隊(duì)列隊(duì)尾隊(duì)頭“隊(duì)列”結(jié)構(gòu)“先進(jìn)先出”思想計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)保存/恢復(fù)過(guò)程示例：低級(jí)中斷現(xiàn)場(chǎng)區(qū)高級(jí)中斷現(xiàn)場(chǎng)區(qū)用戶程序低級(jí)中斷高級(jí)中斷方向多級(jí)中斷現(xiàn)場(chǎng)保存計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)UNIX系統(tǒng)中一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)棧幀的形成過(guò)程：硬件將PS,PC壓棧,且根據(jù)中斷類型將中斷向量表中的PS,PC值送入PS,PC寄存器。中斷入口第一條為轉(zhuǎn)總控程序指令,該轉(zhuǎn)移指令將r0壓棧且將中斷處理程序地址存入r0。

由總控程序?qū)⑿碌膎ps壓棧(有異常號(hào)信息)。由總控將r1,r6壓棧(r6中為棧指針,此時(shí)是上一棧幀頂或用戶棧頂)。由總控從nps低5位截取trap號(hào)dev進(jìn)入棧?？偪卦谵D(zhuǎn)相應(yīng)中斷(trap)處理程序時(shí),將返回地址tpc壓棧。由各中斷(trap)處理程序先將r5,r4,r3,r2壓棧,返回總控時(shí)恢復(fù)r2,r3,r4,r5。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

PS 硬件保存

增

PC

長(zhǎng)

r0

方

nps（新ps)

向

r1 r6 總控程序保存

dev(trap號(hào)）

tpc

（總控返回地址）

r5 r4 處理程序保存

r3 r2sp

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

3.分析原因，轉(zhuǎn)中斷(異常)處理程序總控程序直接根據(jù)r0(已存放好中斷程序的入口地址)內(nèi)容轉(zhuǎn)子程序。中斷：直接轉(zhuǎn)至其入口地址；異常：還要根據(jù)dev保存的當(dāng)前發(fā)生的陷入類型，作相應(yīng)的處理。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)4.恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（總控程序）分兩種情況：1）回退到核心態(tài)時(shí):

退棧，恢復(fù)r0,r1；執(zhí)行rtt指令，該指令自動(dòng)將棧幀中的PC,PS值裝入PC,PS寄存器。2）回退到用戶態(tài)時(shí):

轉(zhuǎn)調(diào)度程序；退棧，恢復(fù)r0,r1；

執(zhí)行rtt指令。該指令自動(dòng)將棧幀中的PC,PS值裝入PC,PS寄存器。注：UNIX系統(tǒng)是根據(jù)nps內(nèi)容來(lái)判斷CPU的先前狀態(tài)。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中斷與異常的區(qū)別1）定義：中斷：來(lái)自外部，異常：來(lái)自內(nèi)部。2）屏蔽：中斷：能被屏蔽，異常：不能屏蔽。3）響應(yīng)：中斷：中斷檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)中斷寄存器；異常：執(zhí)行指令時(shí)發(fā)生異常。4）處理：中斷：保存現(xiàn)場(chǎng)后直接轉(zhuǎn)入到中斷入口程序；異常：轉(zhuǎn)入trap處理程序，后跟據(jù)異常類型號(hào)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的異常處理程序。5）返回：中斷：返回用戶程序或低優(yōu)先級(jí)中斷程序；異常：大部分不返回，系統(tǒng)調(diào)用返回訪管指令的下一條指令，缺頁(yè)異常返回發(fā)生異常的指令。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.3操作系統(tǒng)運(yùn)行模型操作系統(tǒng)核心的主要功能模塊如下(UNIX為例)：

系統(tǒng)初始化模塊：初始化系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)，創(chuàng)建1號(hào)進(jìn)程運(yùn)行INIT程序，該進(jìn)程為每個(gè)登錄用戶創(chuàng)建一個(gè)tty終端進(jìn)程，運(yùn)行命令解釋程序,接收用戶輸入的命令。

進(jìn)程管理模塊：包含進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用處理（如進(jìn)程創(chuàng)建/結(jié)束,進(jìn)程通信/同步）和處理機(jī)的管理(如進(jìn)程調(diào)度,進(jìn)程切換)。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理模塊：負(fù)責(zé)內(nèi)存的管理，如內(nèi)存管理模塊,進(jìn)程空間分配,進(jìn)程內(nèi)外存之間交換。外設(shè)管理模塊：負(fù)責(zé)外設(shè)驅(qū)動(dòng)和中斷處理，包含設(shè)備訪問(wèn)接口程序，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理模塊，各種驅(qū)動(dòng)器公共程序，各設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備中斷處理程序等。文件管理模塊：處理文件類系統(tǒng)調(diào)用，如文件訪問(wèn)接口程序，文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)管理程序，文件數(shù)據(jù)緩沖管理模塊，外存管理程序。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)三種運(yùn)行模型：獨(dú)立運(yùn)行的內(nèi)核:用戶程序與核心程序在分離的運(yùn)行環(huán)境中運(yùn)行,核心程序作為一個(gè)獨(dú)立的特殊執(zhí)行體運(yùn)行，有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧。內(nèi)核用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程a.獨(dú)立內(nèi)核模式...特點(diǎn)：進(jìn)程只運(yùn)行用戶程序，內(nèi)核只是一個(gè)特殊的系統(tǒng)執(zhí)行體；系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，要訪問(wèn)用戶進(jìn)程的系統(tǒng)表格；啟動(dòng)外設(shè)時(shí)，要與用戶進(jìn)程進(jìn)行連接。內(nèi)核程序并發(fā)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)困難。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)嵌入用戶進(jìn)程執(zhí)行模式：操作系統(tǒng)核心程序通過(guò)中斷/例外機(jī)制啟動(dòng)運(yùn)行，但運(yùn)行于被打斷進(jìn)程的核心棧上,其并發(fā)性較好。操作系統(tǒng)空間地址不與用戶進(jìn)程空間地址重疊,各占一片連續(xù)地址空間的高部與低部。本書描述的都是這種模式。

特點(diǎn):只發(fā)生模式轉(zhuǎn)換,沒(méi)發(fā)生進(jìn)程切換.

b.操作系統(tǒng)嵌入用戶進(jìn)程中運(yùn)行用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程內(nèi)核內(nèi)核內(nèi)核進(jìn)程切換…系統(tǒng)程序及數(shù)據(jù)區(qū)用戶數(shù)據(jù)區(qū)用戶程序區(qū)核心棧用戶棧區(qū)系統(tǒng)空間用戶空間計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)微內(nèi)核模式：核心程序只包含中斷處理,系統(tǒng)調(diào)用總控,進(jìn)程調(diào)度等功能,其他功能由用戶態(tài)運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)程實(shí)現(xiàn),如現(xiàn)代操作系統(tǒng)Mach3.0.

優(yōu)點(diǎn):模塊化,層次化方面比較好缺點(diǎn):通信,合作時(shí)開(kāi)銷很大,損失系統(tǒng)性能。用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程系統(tǒng)進(jìn)程系統(tǒng)進(jìn)程進(jìn)程切換（微內(nèi)核）......c.操作系統(tǒng)功能以系統(tǒng)進(jìn)程運(yùn)行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.4系統(tǒng)調(diào)用1.自陷指令(trap)自陷指令：一條能產(chǎn)生異常的機(jī)器指令，又稱訪管指令，或陷入指令。PDP-11機(jī)器提供一條自陷指令：trap，指令碼為104400-104777。完成的工作為：PS內(nèi)容入棧；PC內(nèi)容入棧；從中斷向量034單元中取內(nèi)容裝入PS；從中斷向量036單元中取內(nèi)容裝入PC。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)UNIX中trap指令格式：

trap類型號(hào)；trap的指令碼為104400-104477(八進(jìn)制)，其中指令碼的最后6位表示系統(tǒng)調(diào)用的類型號(hào)。散轉(zhuǎn)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：保存與類型號(hào)相對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序入口地址。編號(hào)參數(shù)個(gè)數(shù)服務(wù)程序入口地址

01do_fork13do_read………計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)程序一般格式為：

. . .(傳給核心參數(shù)按約定填入寄存器) trap類型號(hào)

.(從約定的寄存器中獲得核心返回值）

. return參數(shù)傳遞：約定好的寄存器傳遞參數(shù)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用各模塊關(guān)系圖異步調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)內(nèi)核總控系統(tǒng)調(diào)用處理總控Write處理磁盤控制器磁盤中斷處理用戶態(tài)核心態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)程序用戶程序計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)3.系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)舉例POSIX標(biāo)準(zhǔn)定義的系統(tǒng)調(diào)用如下：進(jìn)程管理:

創(chuàng)建進(jìn)程pid=fork()

終止進(jìn)程exit(status)

等待子進(jìn)程結(jié)束pid=wait(pid,…)

替換進(jìn)程映像s=execve(name,argv,environp)

向pid進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal信號(hào)

s=kill(pid,signal)文件管理:

創(chuàng)建文件fd=creat(name,…)

打開(kāi)文件fd=open(name,…)

讀文件n=read(fd,buffer,nbyte)

(下頁(yè)續(xù))計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)寫文件n=write(fd,buffer,nbyte)

移動(dòng)文件指針pos=seek(fd,offset,…)

關(guān)閉文件s=close(fd)獲取文件狀態(tài)：s=stat(filename,&buf)存儲(chǔ)管理：動(dòng)態(tài)申請(qǐng)/釋放存儲(chǔ)空間等；目錄管理：建立目錄，刪除目錄等；其他：設(shè)置/獲得時(shí)間等。說(shuō)明：用戶編程時(shí)不一定直接調(diào)用“系統(tǒng)調(diào)用”函數(shù)，而是調(diào)用更高層的庫(kù)函數(shù)，如win32的API函數(shù)。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)2.5人機(jī)界面2.5.1命令語(yǔ)言它是控制作業(yè)流程的用戶界面,由命令解釋程序解釋執(zhí)行命令。

早期批處理系統(tǒng)：作業(yè)控制語(yǔ)言，由JCL解釋程序來(lái)解釋和執(zhí)行分時(shí)系統(tǒng)：交互語(yǔ)言(shell命令，DOS鍵盤命令)

由命令解釋程序來(lái)解釋和執(zhí)行，如：shell命令解釋程序，explorer命令解釋程序。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

UNIX中的實(shí)例：

UNIX啟動(dòng)一個(gè)解釋程序的執(zhí)行過(guò)程如下:

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，1號(hào)進(jìn)程為每個(gè)終端生成一個(gè)tty進(jìn)程,讓其運(yùn)行登錄程序；用戶輸入ID及口令,驗(yàn)證完用戶后