操作系統(tǒng)原理 第2章 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

1、1 (一一) (二二) (三三) 第二章第二章 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)2 操作系統(tǒng)的核心 在裸機上運行， 用戶程序在擴充 后的機器上運行。 擴充后的機器操作系統(tǒng)裸機應用程序用戶程序 1. 什么是操作系統(tǒng)虛擬機什么是操作系統(tǒng)虛擬機 在裸機上配置了操作系統(tǒng)程序后就構(gòu)了操作系統(tǒng)虛擬機。3 2. 操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng) 裸機的指令系統(tǒng)是什么? 機器指令 操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng) ? 4 2. 操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng) 操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng)，又稱為操作命令語言。 虛擬機的功能是通過它提供的命令體現(xiàn)的。 (1) 操作命令操作命令(又稱命令

2、接口又稱命令接口) 作業(yè)控制語言 鍵盤命令 圖形化用戶界面 (2) 系統(tǒng)功能調(diào)用系統(tǒng)功能調(diào)用(又稱程序接口又稱程序接口) 5 一一. 操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)6二二. UNIX操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1. UNIX系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)7 (1) UNIX核心層核心層 處理機管理 存儲管理 設備管理 文件系統(tǒng) (2) UNIX實用層實用層 操作系統(tǒng)中能從核心層分離出來，以核外程序形式運行在用戶環(huán)境下。 操作系統(tǒng)實用程序 編輯程序、調(diào)試程序、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、文件管理的實用程序 語言處理程序C、Fortran、APL等語言及其編譯器 軟件工具源代碼控制程序SCCS、LEX8 2.

3、 UNIX核心結(jié)構(gòu)核心結(jié)構(gòu) 系 統(tǒng) 調(diào) 用 界 面 程 序 庫進程控制子系統(tǒng)進程通信進程調(diào)度存儲管理 文件子系統(tǒng)高速緩沖字符設備 塊設備 設備驅(qū)動程序用戶程序 硬 件 控 制 硬 件 9三三. Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)虛擬機32位Windows應用程序32位Windows應用程序 共享的地址空間16位Windows應用程序16位Windows應用程序 Windows 子系統(tǒng)WindowsKernelWindowsGDIWindowsUserMS DOS虛擬機MS DOS虛擬機MS DOS虛擬機 可安裝的文件系統(tǒng)管理程序32位FATCD-ROM文件系統(tǒng) 網(wǎng)絡重定向程序 塊

4、 I/O 子系統(tǒng) 主存管理 調(diào)度程序 Vxds服務及動態(tài)裝入程序 MS DOS VM 管理程序 設備驅(qū)動程序： 鍵盤、顯示器、鼠標、 通信及其他第 3環(huán)組件第 0環(huán)組件文件管理子系統(tǒng)虛擬機管理子系統(tǒng)10 1. 設置處理機狀態(tài)的目的設置處理機狀態(tài)的目的 為操作系統(tǒng)建立一個保護環(huán)境，采用的辦法是區(qū)分處理機的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)中有兩類程序： 管理程序管理程序 用戶程序用戶程序 管理系統(tǒng)資源 使用資源，提出申請 控制程序運行 被控制11 2. 什么是處理機的態(tài)什么是處理機的態(tài) 中央處理機的工作狀態(tài)，當前它正在執(zhí)行哪類程序，決定處理機的態(tài)。 3. 處理機態(tài)的類別處理機態(tài)的類別 (1) 管態(tài) (Superv

5、isor mode) 操作系統(tǒng)的管理程序執(zhí)行時機器所處的狀態(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(包括整個存儲區(qū)域)。 12 (2) 用戶態(tài)用戶態(tài)(User mode) 用戶程序執(zhí)行時機器所處的狀態(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器狀態(tài)，并且只允許用戶程序訪問自己的存儲區(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 (包括整個存儲區(qū)域) 問自己的存儲區(qū)域。13 4. 特權(quán)指令集特權(quán)指令集 改變機器狀態(tài)的指令 修改特殊寄存器的指令 涉及外部設備的輸入/輸出指令14

6、 (3) 實例操作系統(tǒng)如何區(qū)分處理機的狀態(tài)實例操作系統(tǒng)如何區(qū)分處理機的狀態(tài) DOS系統(tǒng) 不分態(tài) Windows系統(tǒng) 現(xiàn)分為兩態(tài) 3環(huán) 用戶態(tài) 0環(huán) 系統(tǒng)態(tài) 還有1、2環(huán)預留 Unix系統(tǒng)（Linux）系統(tǒng) 分為三態(tài) 00 核態(tài) 01 管態(tài) 11 用戶態(tài) 如何實現(xiàn)？如何實現(xiàn)？15一一. 中斷概念中斷概念 所謂中斷是指某個事件 (例如電源掉電、定點加法溢出或I/O傳輸結(jié)束等) 發(fā)生時，系統(tǒng)中止現(xiàn)行程序的運行、引出處理事件程序?qū)υ撌录M行處理，處理完畢后返回斷點，繼續(xù)執(zhí)行。正在執(zhí)行的用戶程序繼續(xù)執(zhí)行中斷處理程序中斷進入中斷返回16二二. 中斷類型中斷類型 1. 按中斷功能分類按中斷功能分類 (1)

7、輸入輸出中斷：I/O傳輸結(jié)束或出錯中斷。 (2) 外中斷：時鐘中斷、操作員控制臺中斷、通信中斷等。 (3) 機器故障中斷：電源故障、主存取指令錯、長線傳輸時的奇偶校驗錯等。 (4) 程序性中斷：定點溢出、用戶態(tài)下用核態(tài)指令、越界、非法操作等。 (5) 訪管中斷：對操作系統(tǒng)提出某種需求時所發(fā)出的中斷稱為訪管中斷。17 2. 按中斷方式分類按中斷方式分類 (1) 強迫性中斷強迫性中斷 這類中斷事件不是正在運行的程序所期待的，而是由某種事故或外部請求信號所引起的。 強迫性中斷如：輸入輸出中斷 外中斷 機器故障中斷 程序性中斷 (2) 自愿中斷自愿中斷 它是運行程序所期待的事件，這種事件是由于執(zhí)行了條

8、訪管指令而引起的。 自愿中斷如：訪管中斷18 3. 按中斷來源分類按中斷來源分類 (1) 中斷中斷 由處理機外部事件引起的中斷稱為外中斷。包括輸入輸出中斷、外中斷。 (2) 俘獲俘獲 由處理機內(nèi)部事件引起的中斷稱為內(nèi)中斷，又稱為俘獲。包括訪管中斷、程序性中斷、機器故障中斷。 19 (3) 中斷與俘獲的例中斷與俘獲的例 PDP 11系列機中斷與俘獲的分類。 trap指令俘點溢出地址越界非法指令exitforkreadclock時鐘 rk磁盤 tty終端中斷與俘獲中斷俘獲20三三. 中斷進入中斷進入 1. 保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場 (1) 現(xiàn)場現(xiàn)場 是指在中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)運

9、行的有關(guān)信息。 主要包括 后繼指令所在主存的單元號 程序運行所處的狀態(tài) 指令執(zhí)行情況 以及程序執(zhí)行的中間結(jié)果等 21 (2) 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場 當中斷發(fā)生時，必須立即把現(xiàn)場信息保存在主存中，這一工作稱之為保護現(xiàn)場。 (3) 恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場 程序重新運行之前，把保留的該程序現(xiàn)場信息從主存中送至相應的指令計數(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現(xiàn)場。22 2. 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字 (psw) (1) 什么是程序狀態(tài)字什么是程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字是反映程序執(zhí)行時機器所處的現(xiàn)行狀態(tài)的代碼。 主要內(nèi)容包括 程序現(xiàn)在應該執(zhí)行哪條指令 當前指令執(zhí)行情況 機器處于何種程序狀態(tài) 程序在執(zhí)

10、行時應該屏蔽哪些中斷 尋址方法、編址、保護鍵 響應中斷的內(nèi)容。23 (2) 程序狀態(tài)字的例程序狀態(tài)字的例 IBM 370 機 程序狀態(tài)字內(nèi)容 PSW寄存器 IBM PC 機 程序狀態(tài)字內(nèi)容 CS IP 指令地址 flag 標志寄存器 PDP 11系列機 程序狀態(tài)字內(nèi)容 PC 指令計數(shù)器 PS 處理器狀態(tài)寄存器 24 三三. 中斷進入中斷進入 正在執(zhí)行的用戶程序繼續(xù)執(zhí)行中斷處理程序中斷進入中斷返回指令計數(shù)器系統(tǒng)堆棧中斷向量表處理機狀態(tài)寄存器25 3. 中斷響應中斷響應 (1) 什么是中斷響應什么是中斷響應 中斷響應是當中央處理機發(fā)現(xiàn)已有中斷請求時，中止現(xiàn)行程序執(zhí)行，并自動引出中斷處理程序的過程。

11、 中斷響應過程：中斷響應過程： 保留程序斷點及處理機有關(guān)信息 自動轉(zhuǎn)入相應的中斷處理程序執(zhí)行 (2) 中斷響應的實質(zhì)中斷響應的實質(zhì) 交換指令地址及處理機的狀態(tài)信息26 (3) 中斷響應過程圖示中斷響應過程圖示 中斷處理程序的PC中斷處理程序的PS內(nèi)存PCPS PC進棧 PS 進棧堆棧堆棧棧頂指針(4)(1)(2)(3)27四四. 軟件的中斷處理過程軟件的中斷處理過程 當硬件完成了中斷進入過程后，由相應的中斷處理程序得到控制權(quán)，進入了軟件的中斷處理過程。 保留被中斷程序的現(xiàn)場 進入相應的中斷服務例程 恢復被中斷程序的現(xiàn)場中斷返回中 斷進入k+0現(xiàn)行程序k+128 五五. 向量中斷向量中斷 1. 什么是向量中斷什么是向量中斷 當中斷發(fā)生時，由中斷源自己引導處理機進入中斷服務程序的中斷過程稱為向量中斷。 2. 中斷向量中斷向量 中斷向量包含兩個內(nèi)容，一是某類型中斷的中斷服務例行程序的入口地址，另一個是處理器狀態(tài)字。 3.中斷向量表中斷向量表 主存中用于存放各