Operating System -Lecture3 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與界面

1、Lecture 3:操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn) 行模型與用戶接口目的與要求:了解典型操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模型及系統(tǒng)調(diào)用和用戶使用操作系統(tǒng)的界面。重點(diǎn)與難點(diǎn)：操作系統(tǒng)內(nèi)核嵌入用戶進(jìn)程執(zhí)行模型；命令解釋器及系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。作業(yè)安排：（1）操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要功能模塊有哪些？若采用微內(nèi)核運(yùn)行模型，原來在內(nèi)核的功能中，哪些功能在微內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)？哪些由用戶態(tài)運(yùn)行的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)？（2）系統(tǒng)調(diào)用和用戶級的函數(shù)調(diào)用的差別是什么？中斷/異常結(jié)構(gòu)(激發(fā)操作系統(tǒng)內(nèi)核程序運(yùn)行）中斷/異常的分類 中斷的分級 中斷/異常響應(yīng)和處理 中斷/異常響應(yīng) 中斷/異常處理過程 中斷/異常簡要回顧中斷/異常分類：中斷(狹義)與異常的區(qū)別:中斷: 與正執(zhí)行

2、指令無關(guān)，可以屏蔽異常: 與正執(zhí)行指令有關(guān)，不可屏蔽中斷(外中斷)異常(內(nèi)中斷)例外I/O中斷時鐘中斷系統(tǒng)調(diào)用缺頁異常斷點(diǎn)指令其它程序性異常(如算術(shù)溢出等)廣義中斷中斷/異常處理的一般過程:中斷,陷入進(jìn)入保存現(xiàn)場分析原因,轉(zhuǎn)中斷(陷入)處理程序恢復(fù)現(xiàn)場系統(tǒng)初始化模塊：準(zhǔn)備系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，最后為每個終端創(chuàng)建一個進(jìn)程運(yùn)行命令解釋程序。進(jìn)程管理（處理機(jī)管理）模塊：處理進(jìn)程類系統(tǒng)調(diào)用（如進(jìn)程創(chuàng)建/結(jié)束、進(jìn)程間通訊等）；進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程同步與進(jìn)程通信等。1. 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)核心的主要功能模塊：存儲管理模塊：配合進(jìn)程管理分配進(jìn)程空間；處理存儲類系統(tǒng)調(diào)用（如動態(tài)增加進(jìn)程空間）；虛存系統(tǒng)缺頁時調(diào)入頁面處理

3、。文件管理模塊：處理文件類系統(tǒng)調(diào)用，如文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀寫管理和保護(hù)等。 外設(shè)管理模塊：負(fù)責(zé)外設(shè)驅(qū)動、中斷處理、緩沖管理、設(shè)備分配 。1. 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)什么是內(nèi)核(Kernel)？內(nèi)核分類：單內(nèi)核（MacroKernel)和 微內(nèi)核（MicroKernel)什么是內(nèi)核？內(nèi)核（Kernel）是作為可信軟件來提供支持進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基本功能和基本操作的一組程序模塊。內(nèi)核通常駐留在內(nèi)核空間，運(yùn)行于核心態(tài)，具有訪問硬件設(shè)備和所有主存空間的權(quán)限，是僅有的能執(zhí)行特權(quán)指令的那部分程序。在內(nèi)核的支撐下，機(jī)器功能得到擴(kuò)展，進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境得到改善，安全性得到保證，系統(tǒng)效率得到提高。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4、設(shè)計操作系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范 簡單結(jié)構(gòu) 分層結(jié)構(gòu) 微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 模塊結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范 系統(tǒng)效率 系統(tǒng)可靠性：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、診斷和恢復(fù)故障的能力 可靠性、可維護(hù)性、可用性 可移植性 可伸縮性：系統(tǒng)對添加軟、硬件資源的適應(yīng)能力 兼容性 安全性 簡單結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 過程的集合，各過程之間相互調(diào)用 缺點(diǎn) ： 難于調(diào)試 難于閱讀和理解 將操作系統(tǒng)按其功能劃分為若干個具有一定獨(dú)立性和大小的模塊和子模塊 各模塊間通過接口實(shí)現(xiàn)交互 特點(diǎn) ： 模塊間調(diào)用關(guān)系無序 模塊間耦合緊密 難點(diǎn) ： 對模塊的劃分 對接口的規(guī)定 優(yōu)點(diǎn) ： 提高了OS設(shè)計的正確性、可理解性和可維護(hù)性 ； 增強(qiáng)了OS的適應(yīng)性； 加速了OS的開發(fā)過程；

5、 缺點(diǎn) ： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰 系統(tǒng)可靠性降低 未能區(qū)分共享資源和獨(dú)占資源 MS-DOS結(jié)構(gòu)UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 分層操作系統(tǒng)引入原因 ：模塊間有序調(diào)用 設(shè)計原則 將功能模塊排列成若干層 ； 各層之間的模塊只能單向調(diào)用， 每一層都僅使用其底層（或內(nèi) 層）模塊所提供的功能和服務(wù)； 每一層的同層模塊之間不存在相互調(diào)用關(guān)系 ； 最底層（第0層）是計算機(jī)硬件；最高層（第 N層）是用戶接口 。 優(yōu)點(diǎn) ： 模塊化 易于實(shí)現(xiàn) 增加了系統(tǒng)的可靠性 困難 ： 難以確切地定義每一層 缺點(diǎn)： 效率低 將整個系統(tǒng)在邏輯上虛擬為若干個相同的機(jī)器。典型操作系統(tǒng)：IBM: VM/370 (1979年)其實(shí)是對硬件的精確復(fù)制，每臺虛

6、擬機(jī)和裸機(jī)完全相同，可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)。技術(shù)基礎(chǔ)：1）分時系統(tǒng)2）多道程序設(shè)計技術(shù)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)虛擬機(jī)虛擬機(jī)裸機(jī)OSOSOS虛擬機(jī)非虛擬機(jī)與虛擬機(jī)系統(tǒng)模型 VMware結(jié)構(gòu) Java虛擬機(jī) 基本思想：將核心分為若干個模塊，模塊間的通信通過調(diào)用其它模塊中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。用戶程序用戶程序文件管理進(jìn)程管理內(nèi)存管理硬件控制程序用戶程序系統(tǒng)調(diào)用接口外設(shè)管理硬 件操作系統(tǒng)內(nèi)核單內(nèi)核(MacroKernel)優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)行效率較高 組織方式相對也比較簡單缺點(diǎn)： 內(nèi)核移植比較困難 基本思想：將更多操作系統(tǒng)功能放在核心之外，作為獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程運(yùn)行；內(nèi)核保持盡量小，只實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能，稱為微內(nèi)核。其典型

7、應(yīng)用為客戶機(jī)/服務(wù)器模式。微內(nèi)核客戶進(jìn)程1客戶進(jìn)程2文件服務(wù)器進(jìn)程服務(wù)器內(nèi)存服務(wù)器消息內(nèi)核：消息中繼硬 件微內(nèi)核(MicroKernel)優(yōu)點(diǎn)：良好的擴(kuò)充性：只需添加支持新功能的服務(wù)進(jìn)程即可;可靠性好：模塊相互隔離，調(diào)用關(guān)系明確，執(zhí)行轉(zhuǎn)移不易混亂便于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式處理：以同樣的調(diào)用形式，在下層可通過核心中的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方服務(wù)器上缺點(diǎn)：消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些 (但可以通過提高硬件性能來補(bǔ)償) 事實(shí)上，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)多采用單內(nèi)核和微內(nèi)核的混合結(jié)構(gòu)，以便取長補(bǔ)短。例如：Linux的內(nèi)核從總體上來說是一個單內(nèi)核結(jié)構(gòu)，但是設(shè)計時也引入了許多微內(nèi)核的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法。 現(xiàn)在系統(tǒng)的可移植性是非常

8、重要的，因此微內(nèi)核模型將是未來的發(fā)展趨勢之一。混合結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu) 用面向?qū)ο蠹夹g(shù)生成模塊化內(nèi)核 ; 內(nèi)核有一組核心部件，以及在啟動或運(yùn)行時對附加服務(wù)的動態(tài)鏈接 ; 內(nèi)核提供核心服務(wù)，并能動態(tài)實(shí)現(xiàn)特定的功能 ; 類似于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，核心模塊只有核心功能以及其他模塊加載和通信的相關(guān)信息，但不需要調(diào)用消息傳遞進(jìn)行通信，更高效 。Solaris結(jié)構(gòu) Mac OS X Structure 操作系統(tǒng)core2. 操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型OS本身是一組程序，也是在處理器上運(yùn)行，那么，OS程序是否組織成進(jìn)程？它是控制的、怎樣執(zhí)行的？它在什么模式下運(yùn)行呢？從OS的運(yùn)行方式來看，可分為：非進(jìn)程內(nèi)核模型OS

9、功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型OS功能作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的模型獨(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，核心程序作為一個獨(dú)立的特殊執(zhí)行體運(yùn)行，有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧，用戶進(jìn)程通過中斷/陷入機(jī)制啟動核心程序運(yùn)行（以請求包方式傳遞用戶請求）。非進(jìn)程內(nèi)核運(yùn)行模型嵌入用戶進(jìn)程執(zhí)行模式:操作系統(tǒng)核心程序通過中斷/陷入機(jī)制啟動運(yùn)行，但運(yùn)行于被打斷進(jìn)程的核心棧上,內(nèi)核程序執(zhí)行并發(fā)性好。本課程以后對操作系統(tǒng)的描述都是基于這種模式，也是實(shí)用OS所用模式。OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的運(yùn)行模型微內(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),這種結(jié)構(gòu)開銷很大。

10、OS功能作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的運(yùn)行模型編程接口操作接口3. 用戶接口用戶接口分類操作系統(tǒng)裸機(jī)提供對程序的控制功能。最初是命令驅(qū)動方式，現(xiàn)在多采用圖形及視窗操作環(huán)境。系統(tǒng)專門為用戶設(shè)置的獲得操作系統(tǒng)服務(wù)的一種途徑，通常由系統(tǒng)調(diào)用組成，編程時常用。編程接口（系統(tǒng)功能調(diào)用）子功能OS系統(tǒng)功能調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給程序設(shè)計人員的一種服務(wù)。程序設(shè)計人員在編寫程序時，可以利用系統(tǒng)調(diào)用來請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。目的：方便用戶使用。程序系統(tǒng)功能調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用原理系統(tǒng)中的程序類型及狀態(tài)系統(tǒng)程序用戶程序用戶態(tài)（目態(tài)）核心態(tài)（系統(tǒng)態(tài)，管態(tài)）特權(quán)指令：一類只能在核心態(tài)下運(yùn)行而不能在用戶態(tài)下運(yùn)行的特殊指令。不同的操作系統(tǒng)特權(quán)指令會

11、有所差異，但是一般來說主要是和硬件相關(guān)的一些指令。 系統(tǒng)功能調(diào)用系統(tǒng)程序用戶程序用戶態(tài)核心態(tài)問題？1、用戶程序如何由用戶態(tài)進(jìn)入核心態(tài)？2、在核心態(tài)下完成工作后如何返回算法繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)？訪管指令：本身是一條特殊的指令，但不是特權(quán)指令。（trap指令）基本功能：“自愿進(jìn)管”，能引起訪管異常。用戶態(tài)到核心態(tài)的轉(zhuǎn)換基本調(diào)用過程訪管指令中斷/異常機(jī)構(gòu)保護(hù)現(xiàn)場將狀態(tài)置為“管態(tài)”系統(tǒng)子程序恢復(fù)現(xiàn)場訪管中斷系統(tǒng)功能調(diào)用：就是用戶在程序中使用“訪管指令”調(diào)用由操作系統(tǒng)提供的子功能集合。其中每一個系統(tǒng)子功能稱為一個系統(tǒng)調(diào)用命令，也叫廣義指令。系統(tǒng)功能調(diào)用與普通過程調(diào)用的區(qū)別：系統(tǒng)調(diào)用本質(zhì)上是一種過程調(diào)用，但它

12、是一種特殊的過程調(diào)用，與一般用戶程序中的過程調(diào)用有明顯的區(qū)別 。運(yùn)行狀態(tài)不同。系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用過程和被調(diào)用過程運(yùn)行在不同的狀態(tài)，而普通的過程調(diào)用一般運(yùn)行在相同的狀態(tài)。調(diào)用方法不同。系統(tǒng)調(diào)用必須通過軟中斷機(jī)制首先進(jìn)入系統(tǒng)核心，然后才能轉(zhuǎn)向相應(yīng)的命令處理程序。普通過程調(diào)用可以直接由調(diào)用過程轉(zhuǎn)向被調(diào)用過程。返回問題。在采用搶先式調(diào)度的系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回時，要重新進(jìn)行調(diào)度分析是否有更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒。普通的過程調(diào)用直接返回調(diào)用過程繼續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用種類不同的操作系統(tǒng)為用戶提供的系統(tǒng)調(diào)用的數(shù)量或形式是不同的。一般的系統(tǒng)為用戶提供幾十到上百條系統(tǒng)調(diào)用。UNIX系統(tǒng)主要系統(tǒng)功能 設(shè)備管理 文件管理 進(jìn)程

13、控制 進(jìn)程通信 存儲管理 系統(tǒng)管理 文件保護(hù)Windows系統(tǒng)Win32 API函數(shù)由以下三個windows組件支持：1、 KERNEL32.dll ：完成內(nèi)存管理、程序的裝入、執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度等功能。 2、GDI32.dll：提供了圖形與文字輸出、圖像操作和窗口管理等各種與顯示和打印有關(guān)的功能 3、 USER32.dll ：它用來對聲音、時鐘、鼠標(biāo)器及鍵盤輸入等操作進(jìn)行管理 系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)過程（以UNIX為例）UNIX中系統(tǒng)調(diào)用是依靠trap(自陷指令)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用號參數(shù)執(zhí)行trap指令陷入處理機(jī)構(gòu)保護(hù)現(xiàn)場取系統(tǒng)調(diào)用號查找子程序入口地址恢復(fù)現(xiàn)場A0A1A2A3系統(tǒng)調(diào)用入口地址表A0A1

14、A2A3系統(tǒng)調(diào)用子程序自陷指令(trap)系統(tǒng)調(diào)用是一種特殊形式的轉(zhuǎn)子方法,它導(dǎo)致處理機(jī)態(tài)的變化,為了方便編程，提供系統(tǒng)調(diào)用庫，由其中的子程序來組織系統(tǒng)調(diào)用,用戶程序調(diào)系統(tǒng)調(diào)用庫的子程序。系統(tǒng)調(diào)用庫程序一般格式：.(傳給核心的參數(shù)按約定填入寄存器)trap.(從約定的寄存器中獲得核心返回值）.return處理機(jī)執(zhí)行trap指令會導(dǎo)致控制轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核的trap處理程序入口, trap處理程序獲得參數(shù),按系統(tǒng)調(diào)用入口表散轉(zhuǎn).參數(shù)傳遞的一般形式：用寄存器傳遞參數(shù).Trap指令自帶參數(shù), Trap指令是一條長指令,內(nèi)核通過斷點(diǎn)PC值加偏移獲得參數(shù)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

15、系統(tǒng)調(diào)用庫內(nèi)核總控系統(tǒng)調(diào)用處理總控Write處理磁盤控制器盤中斷處理用戶態(tài)核心態(tài)磁盤驅(qū)動程序用戶程序系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)舉例，系統(tǒng)調(diào)用的基本處理過程:write(fd,)是一個系統(tǒng)調(diào)用庫子程序,該子程序用匯編語言寫,其中包含trap指令.處理機(jī)運(yùn)行到trap指令,保護(hù)現(xiàn)場,轉(zhuǎn)入內(nèi)核總控總控進(jìn)一步保護(hù)現(xiàn)場,因?yàn)槭莟rap指令引起陷入所以轉(zhuǎn)系統(tǒng)調(diào)用處理程序(轉(zhuǎn)下頁)*(續(xù)上頁)系統(tǒng)調(diào)用處理程序根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號查系統(tǒng)調(diào)用入口表,得知該系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)個數(shù)及處理程序入口地址,獲得參數(shù)并轉(zhuǎn)相應(yīng)write處理程序write處理程序?qū)?shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)考入內(nèi)核的系統(tǒng)緩沖區(qū),調(diào)磁盤驅(qū)動程序的啟動I/O函數(shù),驅(qū)動程序生成一個磁

16、盤請求包,啟動磁盤傳輸(或排入磁盤請求隊(duì)列),等待傳輸完成(保護(hù)現(xiàn)場,這時可重新調(diào)度進(jìn)程,CPU切換到另一個進(jìn)程)(轉(zhuǎn)下頁)*磁盤I/O完成,產(chǎn)生一個磁盤中斷,（這時正運(yùn)行進(jìn)程程序被中斷打斷）啟動磁盤中斷處理程序,磁盤中斷處理程序清中斷位,再從磁盤請求隊(duì)列中取下一請求,啟動磁盤傳輸.然后找到剛完成請求的請求包,標(biāo)志成完成狀態(tài)，(這時先前進(jìn)程從阻塞變成就緒,可被調(diào)度占用處理機(jī))恢復(fù)相應(yīng)棧中的現(xiàn)場,轉(zhuǎn)write系統(tǒng)調(diào)用的后續(xù)處理程序.write處理程序處理結(jié)束后返回,系統(tǒng)調(diào)用處理總控程序?qū)⒋舜畏?wù)結(jié)果存入約定好的寄存器(或現(xiàn)場區(qū))返回內(nèi)核總控（這時會進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度）,恢復(fù)現(xiàn)場,用戶程序繼續(xù)運(yùn)行.*異

17、步調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口用戶程序系統(tǒng)調(diào)用庫內(nèi)核總控系統(tǒng)調(diào)用處理總控Write處理磁盤控制器盤中斷處理用戶態(tài)核心態(tài)磁盤驅(qū)動程序用戶程序API-系統(tǒng)調(diào)用-操作系統(tǒng)之間的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)C程序庫示例 操作接口命令行（命令解釋程序） OS內(nèi)核的一部分(DOS) 特殊程序，任務(wù)開始或用戶登錄時，該程序運(yùn)行(UNIX的Shell) 作用：執(zhí)行命令 命令解釋程序執(zhí)行(DOS) 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)(UNIX的Shell) GUI 具有窗口界面的解釋程序(Windows的Explorer.exe) 命令語言 (通訊語言/作業(yè)控制語言)它是控制作業(yè)流程的用戶界面,由語言解釋器解釋執(zhí)行命令。UNIX啟動一個解釋器執(zhí)行的過程:系統(tǒng)啟

18、動時1號進(jìn)程為每個終端生成一個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,轉(zhuǎn)去執(zhí)行shell命令解釋器由解釋器處理用戶輸入命令Shell解釋器流程：（功能:解釋執(zhí)行shell命令）通過發(fā)“從終端讀”系統(tǒng)調(diào)用接收輸入；直接處理一些控制語句,簡單命令；對不識別的命令關(guān)鍵字,到PATH環(huán)境變量所指目錄中找到與命令關(guān)鍵字同名執(zhí)行代碼文件,產(chǎn)生子進(jìn)程去運(yùn)行該程序；(如果命令關(guān)鍵字代表一個script程序文件,則產(chǎn)生子進(jìn)程去執(zhí)行該文件頭行中說明的解釋器,并解釋執(zhí)行該文件中的語句)等子進(jìn)程結(jié)束后取下一輸入命令。實(shí)用程序；服務(wù)程序；用戶程序都是可以通過拍入對應(yīng)的終端命令而運(yùn)行的。UNIX系統(tǒng)主要的實(shí)用程序有：編輯器。供用戶建立和修改文本文件。它會提供一組內(nèi)部編輯命令。編譯器和裝配器。實(shí)現(xiàn)編