第一章 操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)

第1章操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)1.1中央處理器（CPU）1.2中斷技術(shù)1.3系統(tǒng)調(diào)用1.4存儲(chǔ)器1.5I/O端口尋址與訪問控制1.1中央處理器（CPU）1.單處理器與多處理器系統(tǒng)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)處理器，稱之為單處理器系統(tǒng)如果有多個(gè)處理器稱之為多處理器系統(tǒng)處理器由運(yùn)算器、控制器、一組寄存器和高速緩存構(gòu)成。程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR處理器狀態(tài)字PSW堆棧指示器SP指令譯碼器IDI/O控制邏輯工作寄存器地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器

ALU控制器CU1.1中央處理器（CPU）指令譯碼器ID：是控制器中的主要部件之一，分析指令操作碼，以決定執(zhí)行的操作。程序計(jì)數(shù)器PC：程序計(jì)數(shù)器是用于存放下一條指令的主存單元地址。單片機(jī)及匯編語言中常稱作PC（ProgramCounter）。程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序開始執(zhí)行指令的內(nèi)存單元地址送入PCPSW：狀態(tài)寄存器,存放指令的執(zhí)行狀態(tài)：CPU執(zhí)行狀態(tài)、溢出、中斷屏蔽碼等。例：32位機(jī)器的CPU寄存器2.寄存器分類兩類寄存器：用戶可見寄存器（工作寄存器）：對(duì)所有程序都是可用的，包括系統(tǒng)程序和用戶程序?？刂坪蜖顟B(tài)寄存器：用于控制處理器的操作，大部分對(duì)用戶不可見，由OS的特權(quán)代碼使用。1.1中央處理器（CPU）（1）用戶可見寄存器用戶程序可以訪問到的寄存器，包括數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等。數(shù)據(jù)寄存器（dataregister）又稱通用寄存器，主要用于各種算術(shù)邏輯指令和訪存指令。地址寄存器（addressregister）用于存儲(chǔ)指令或數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。變址寄存器段寄存器棧指針（2）控制和狀態(tài)寄存器用于控制處理器的操作，對(duì)于用戶不可見的（用戶不可以使用）。常見的控制和狀態(tài)寄存器:程序計(jì)數(shù)器（PC：ProgramCounter），記錄將要取出的指令的地址。指令寄存器（IR：InstructionRegister），包含最近取出的指令。程序狀態(tài)字（PSW：ProgramStatusWord），記錄處理器的運(yùn)行模式信息。條件碼寄存器：保存CPU操作結(jié)果的各種標(biāo)記位，如算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生的溢出、符號(hào)等等。機(jī)器指令只能通過隱式訪問來讀取該寄存器的各個(gè)位，不能顯示訪問修改。）中斷寄存器3.處理器狀態(tài)根據(jù)運(yùn)行程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限，將處理器設(shè)置為不同的工作狀態(tài)。多數(shù)系統(tǒng)將處理器工作狀態(tài)劃分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：內(nèi)核態(tài)：操作系統(tǒng)管理（核心）程序運(yùn)行時(shí)的CPU狀態(tài)，又稱為特權(quán)態(tài)、系統(tǒng)態(tài)、管態(tài)或核心態(tài)用戶態(tài)：用戶程序運(yùn)行時(shí)的CPU狀態(tài)，又稱為普通態(tài)或目態(tài)。有些系統(tǒng)將處理器狀態(tài)劃分核心狀態(tài)，管理狀態(tài)和用戶程序狀態(tài)三種。實(shí)例：x86系列CPU386、486、Pentium系列都支持4個(gè)處理器特權(quán)級(jí)別（特權(quán)環(huán)：R0、R1、R2和R3）從R0到R3特權(quán)能力依次降低R0相當(dāng)于雙狀態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)R3相當(dāng)于用戶態(tài)R1和R2則介于兩者之間，它們能夠運(yùn)行的指令集合具有包含關(guān)系：各個(gè)級(jí)別有保護(hù)性檢查（地址校驗(yàn)、I/O限制），并分別運(yùn)行不同級(jí)別的程序：R0-運(yùn)行操作系統(tǒng)核心代碼R1-運(yùn)行關(guān)鍵設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和I/O處理例程R2-運(yùn)行其它受保護(hù)共享代碼，如語言系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境R3-運(yùn)行各種用戶程序現(xiàn)有基于x86處理器的操作系統(tǒng)，多數(shù)UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了R0和R3兩個(gè)特權(quán)級(jí)別實(shí)例：x86系列處理器4.特權(quán)指令和非特權(quán)指令特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行的指令，如：I/O設(shè)備使用指令：如啟動(dòng)I/O設(shè)備、測(cè)試I/O設(shè)備工作狀態(tài)、控制I/O設(shè)備動(dòng)作的指令系統(tǒng)資源的分配和管理指令：包括改變系統(tǒng)工作方式，檢測(cè)用戶的訪問權(quán)限，修改主存管理的段表、頁表，清內(nèi)存和建立存儲(chǔ)保護(hù)指令任務(wù)的創(chuàng)建和切換指令存取特殊寄存器的指令：如存取IDTR、GDTR、LDTR、時(shí)鐘寄存器（脈沖計(jì)數(shù)）等指令。非特權(quán)指令：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序都可以執(zhí)行的指令。在單用戶單任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以不區(qū)分特權(quán)指令和非特權(quán)指令，一般用戶可以使用指令系統(tǒng)中的全部指令。但是，在使用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須要區(qū)分為特權(quán)指令和非特權(quán)指令（why?）內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的比較處理器處于內(nèi)核態(tài)時(shí)可以執(zhí)行全部指令（包括特權(quán)指令）可使用系統(tǒng)所有資源具有改變cpu狀態(tài)的能力處理器處于用戶態(tài)時(shí)只能執(zhí)行非特權(quán)指令特權(quán)級(jí)別不同，可運(yùn)行的指令集合也不同特權(quán)級(jí)別越高，可以運(yùn)行的指令集合越大，高特權(quán)級(jí)別可運(yùn)行指令集合包含低特權(quán)級(jí)的可運(yùn)行指令。1.1中央處理器（CPU）操作系統(tǒng)內(nèi)核功能主要包括：時(shí)鐘管理：脈沖計(jì)數(shù)，指令周期生成中斷機(jī)制：中斷向量表維護(hù)和中斷響應(yīng)原語：由若干條機(jī)器指令構(gòu)成，用于完成特定功能的一段程序。原語具有不可分割性，即原語在執(zhí)行過程中不允許被中斷。

由系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理，如主存頁表、進(jìn)程控制塊表、消息隊(duì)列、緩沖隊(duì)列等。1.1中央處理器（CPU）5.程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字（PSW）：用來指示處理器執(zhí)行條件和狀態(tài)的寄存器。不同機(jī)器的PSW格式和信息不完全相同。PSW的信息一般包括：CPU工作狀態(tài)碼——指明內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)。條件碼——條件碼是CPU根據(jù)運(yùn)算結(jié)果由硬件設(shè)置的位（或位段），指示當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)信息，如：算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生的正、負(fù)、零或溢出等的結(jié)果中斷屏蔽碼——指出是否允許中斷用戶態(tài)→內(nèi)核態(tài)：轉(zhuǎn)換的唯一途徑是通過中斷。內(nèi)核態(tài)→用戶態(tài)：通過修改PSW中的CPU工作狀態(tài)碼來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)屏蔽鑰EMWP中斷碼ILCCC程序屏蔽指令地址0711153133353963例：IBM370的PSW鑰：用于存儲(chǔ)保護(hù)EMWP：E表示機(jī)器控制方式（同步控制、異步控制

），M表示機(jī)器校驗(yàn)方式（奇偶、CRC），W表示等待狀態(tài)位，P表示處理器的工作狀態(tài)。ILC：上一次執(zhí)行指令的長(zhǎng)度。CC：條件值。系統(tǒng)屏蔽：指出CPU是否接受特定通道的中斷（I/O設(shè)備）。程序屏蔽：指示CPU是否接受某種程序性中斷(系統(tǒng)調(diào)用)。1.2中斷技術(shù)操作系統(tǒng)是“中斷驅(qū)動(dòng)”的。中斷對(duì)操作系統(tǒng)的重要性相當(dāng)于機(jī)械系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)齒輪。中斷協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)各種外部事件的響應(yīng)和處理。中斷是多任務(wù)實(shí)現(xiàn)的必要條件。什么是中斷？為什么要引入中斷？中斷是如何響應(yīng)和執(zhí)行的？為什么要引入中斷？解決主機(jī)與I/O設(shè)備并行工作的問題提高系統(tǒng)可靠性實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)系方便應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制中斷：CPU對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外發(fā)生的異步事件的響應(yīng)過程。中斷源（中斷事件）：引起中斷發(fā)生的事件。中斷處理程序：處理中斷的程序代碼，也稱中斷例程，如：鍵盤輸入除溢出錯(cuò)誤的處理程序設(shè)備故障處理程序缺頁中斷處理程序等1.基本概念異步事件是指無一定時(shí)序關(guān)系隨機(jī)發(fā)生的事件。2.中斷分類（1）中斷：又稱I/O中斷或異步中斷，由來自處理器和主存之外的中斷源引起的中斷，如時(shí)鐘中斷，鍵盤中斷等來自于外部設(shè)備的中斷都屬于外中斷。外中斷是一種強(qiáng)迫性中斷，可屏蔽。（2）異常：也成同步中斷，應(yīng)用程序執(zhí)行過程中發(fā)生的意想不到的行為，不可屏蔽。如：非法指令或內(nèi)存出錯(cuò)導(dǎo)致當(dāng)前指令執(zhí)行失?。?）系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序主動(dòng)向操作系統(tǒng)發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求，是戰(zhàn)役中自愿性中斷，可同步或異步響應(yīng)。如讀文件等。3.中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)=中斷硬件+中斷軟件中斷硬件——中斷系統(tǒng)的機(jī)制部分，負(fù)責(zé)中斷掃描和響應(yīng)。在CPU初始化時(shí)設(shè)置中斷使能標(biāo)志根據(jù)中斷事件設(shè)置中斷標(biāo)志（獲取中斷號(hào)）訪問中斷向量表，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)例程中斷軟件——中斷系統(tǒng)的策略部分，執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理指令?，F(xiàn)場(chǎng)保存中斷服務(wù)處理（中斷服務(wù)例程）清除中斷標(biāo)記（中斷服務(wù)例程）現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)中斷處理過程中斷請(qǐng)求中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷服務(wù)中斷返回中斷硬件中斷處理程序中斷處理過程t=0t=7一一一一一一一一一一一一打印機(jī)中斷服務(wù)程序用戶程序t=40中斷響應(yīng)中斷返回（1）中斷硬件的基本功能識(shí)別中斷源：通常用一個(gè)寄存器來存儲(chǔ)每個(gè)中斷源的狀態(tài)信息，該寄存器的內(nèi)容稱為中斷字。斷點(diǎn)保護(hù)：程序計(jì)數(shù)器和PSW的內(nèi)容入棧。why?提供中斷處理程序入口地址映射表（中斷向量表）等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。非屏蔽中斷請(qǐng)求中斷邏輯中斷指令I(lǐng)NTn溢出中斷INT0除法錯(cuò)中斷單步中斷TF=1中斷控制器8259A可屏蔽性中斷請(qǐng)求…INTRNMIIBM-PC中斷邏輯和中斷源示意圖（2）中斷邏輯當(dāng)多個(gè)中斷源請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，由中斷邏輯電路按中斷優(yōu)先級(jí)的高低來判定應(yīng)響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求。一次只能響應(yīng)當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的一個(gè)中斷。（2）中斷邏輯接受和響應(yīng)中斷源的中斷請(qǐng)求的方法因機(jī)器而異，在PC中：可屏蔽中斷請(qǐng)求INTR:來自輸入輸出設(shè)備的I/O中斷,通過對(duì)PSW中的中斷屏蔽位可以屏蔽所有的I/O中斷。不可屏蔽中斷請(qǐng)求:屬于機(jī)器故障中斷，包括內(nèi)存奇偶校驗(yàn)錯(cuò)以及掉電等中斷源產(chǎn)生的中斷。程序性中斷（如溢出、除法錯(cuò)都可以引起中斷）和軟件中斷等。為了區(qū)分和不丟失中斷信號(hào)，用固定觸發(fā)器來寄存每個(gè)中斷源的中斷信號(hào)。一般規(guī)定：值為1時(shí)，表示有中斷信號(hào)，為0時(shí)表示無中斷信號(hào)。所有中斷源的觸發(fā)器組成中斷寄存器，每個(gè)觸發(fā)器對(duì)應(yīng)中斷寄存器中的一個(gè)中斷位。（3）中斷寄存器集成于CPU控制部件中，用于檢測(cè)是否有中斷發(fā)生的機(jī)構(gòu)。在每條指令執(zhí)行周期的最后時(shí)刻（中斷周期）掃描中斷寄存器，詢問是否有中斷信號(hào)。若無中斷信號(hào)，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令；否則，中斷硬件將該中斷觸發(fā)器內(nèi)容按規(guī)定編碼送入PSW的相應(yīng)位（中斷碼）。（4）中斷掃描機(jī)構(gòu)允許中斷開始取下一條指令執(zhí)行指令停止檢查處理中斷不允許中斷中斷周期執(zhí)行周期取指周期（5）中斷響應(yīng)CPU接收到來自于不同中斷源的中斷請(qǐng)求后，需要及時(shí)地響應(yīng)中斷。中斷響應(yīng)是中斷硬件對(duì)中斷事件做出響應(yīng)的過程。任一時(shí)刻，CPU只能響應(yīng)一個(gè)中斷。中斷系統(tǒng)需要按照各個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)，選擇具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行響應(yīng)，這個(gè)過程稱為中斷判優(yōu)。如何響應(yīng)當(dāng)前選擇的中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)例程？（5）中斷響應(yīng)

CPU如何響應(yīng)中斷,兩個(gè)問題：CPU何時(shí)響應(yīng)中斷？通常在CPU執(zhí)行了一條指令以后，更確切地，在指令周期最后時(shí)刻掃描中斷寄存器，接受中斷請(qǐng)求。如何獲知提出中斷請(qǐng)求的設(shè)備或中斷源？用軟件指令去查詢各設(shè)備接口，比較費(fèi)時(shí)（非向量中斷）。使用“中斷向量表”（向量中斷）。非向量中斷：總是轉(zhuǎn)向中斷查詢程序的入口地址，執(zhí)行終端查詢程序，以確定被優(yōu)先批準(zhǔn)的中斷源，然后分支進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。每個(gè)中斷有一個(gè)唯一的中斷向量號(hào)（通常為中斷類型號(hào)）。中斷向量號(hào)通常按照從小到大的順序存放在中斷向量表中。中斷向量表一般存放在主存儲(chǔ)器的固定區(qū)域中。（6）中斷向量（6）中斷向量…向量地址…排隊(duì)器輸出

顯示器服務(wù)程序

打印機(jī)服務(wù)程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址設(shè)備編碼器1000…000100100100…00010011由硬件產(chǎn)生中斷向量地址，再由中斷向量地址找到中斷服務(wù)程序的入口地址。例：8088的中斷向量表255號(hào)向量

…

32號(hào)向量31號(hào)向量

5號(hào)向量

4號(hào)向量（溢出）3號(hào)向量（斷點(diǎn)）2號(hào)向量（NMI）

1號(hào)向量（單步）

0號(hào)向量（除法錯(cuò)）

…003FFH003FCH00080H0007CH00014H

00012H

0000CH

00008H

00004H

00000H

專用

中斷向量（5個(gè)）系統(tǒng)保留

中斷向量（27個(gè)）用戶可用

中斷向量（224個(gè)）8088系統(tǒng)的中斷向量表占用了系統(tǒng)主存最低端的1KB的空間，共存儲(chǔ)了256個(gè)中斷向量（7）中斷處理過程中斷源發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)CPU完成當(dāng)前指令的執(zhí)行，掃描中斷信號(hào)CPU發(fā)送中斷應(yīng)答信號(hào)CPU將PSW、IP和CS壓入棧中（斷點(diǎn)）保存剩余的處理器狀態(tài)信息恢復(fù)中斷前的PSW、IP和CS開中斷處理中斷中斷服務(wù)程序的入口地址送入IP和CS硬件操作中斷處理子程序關(guān)閉中斷恢復(fù)處理器狀態(tài)信息中斷隱指令----CPU響應(yīng)中斷之后，經(jīng)過某些操作轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這些操作是由硬件直接實(shí)現(xiàn)，稱為中斷隱指令。中斷隱指令是指不在指令系統(tǒng)中的指令，其功能包括保護(hù)程序斷點(diǎn)、硬件關(guān)中斷、向量地址送PC（硬件向量法）或中斷識(shí)別程序入口地址送PC（軟件查詢法）。例：匯編中int指令的執(zhí)行過程CPU執(zhí)行intn指令，相當(dāng)于引發(fā)一個(gè)n號(hào)中斷的中斷過程，執(zhí)行過程如下：（1）取中斷類型碼n；（2）標(biāo)志寄存器入棧，IF=0，TF=0；/*IF=0CPU關(guān)閉中斷；TF單步調(diào)試標(biāo)記，TF=0機(jī)器處在連續(xù)工作方式*/（3）CS、IP入棧；（4）(IP)=(n*4)，(CS)=(n*4+2)。IPCS低高5.多級(jí)中斷（多重中斷）多數(shù)微型CPU支持多級(jí)中斷系統(tǒng)，可以有多根中斷請(qǐng)求線（級(jí)）從不同設(shè)備連接到中斷邏輯電路上。具有相同特性和優(yōu)先級(jí)的設(shè)備可連到同一中斷級(jí)上，由中斷排隊(duì)器（硬件）決定當(dāng)前響應(yīng)哪個(gè)中斷源。在多級(jí)中斷系統(tǒng)中，可能同時(shí)有多個(gè)中斷請(qǐng)求，這時(shí)CPU接受中斷優(yōu)先級(jí)最高的中斷，忽略較低優(yōu)先級(jí)的中斷。高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷。例：假設(shè)某系統(tǒng)中有兩個(gè)設(shè)備：打印機(jī)和磁盤，它們的中斷優(yōu)先級(jí)分別為2和4，若打印機(jī)的中斷請(qǐng)求先到達(dá)，且打印機(jī)中斷服務(wù)程序在運(yùn)行過程中，來了一個(gè)磁盤中斷請(qǐng)求。t=0t=7t=15一一一一一一一一一一一一一一一一一一一磁盤中斷服務(wù)程序打印機(jī)中斷服務(wù)程序用戶程序t=25t=40產(chǎn)生的中斷嵌套如下圖：1.3系統(tǒng)調(diào)用1.為什么要引入系統(tǒng)調(diào)用功能？只有操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行特權(quán)指令，訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)。在多任務(wù)系統(tǒng)中，程序的運(yùn)行空間分為用戶空間和內(nèi)核空間，它們?cè)谶壿嬌鲜窍嗷ジ綦x的，用戶程序不能訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法訪問內(nèi)核函數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)服務(wù)的編程接口，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用可以進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)。系統(tǒng)調(diào)用依賴于計(jì)算機(jī)硬件，一般用匯編代碼編寫，并以庫函數(shù)形式提供給應(yīng)用程序（如C語言程序）使用。所有的庫函數(shù)都是系統(tǒng)調(diào)用嗎？1.3系統(tǒng)調(diào)用2.什么是系統(tǒng)調(diào)用？系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的用于實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的一組子程序(用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)內(nèi)核模塊的調(diào)用)：應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用訪問系統(tǒng)硬件和其他操作系統(tǒng)資源，如：外存文件與目錄的讀寫。各種I/O設(shè)備的使用在一個(gè)應(yīng)用程序中啟動(dòng)另一個(gè)應(yīng)用程序查詢和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)資源使用情完成對(duì)硬件和資源的訪問控制。硬件設(shè)備的抽象（提供設(shè)備獨(dú)立性）。例：UNIX/Linux的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)調(diào)用接口通過庫把函數(shù)調(diào)用映射成進(jìn)入操作系統(tǒng)核心所需要的原語。POSIX（PortableOperatingSystemInterface））中的進(jìn)程和文件管理的主要系統(tǒng)調(diào)用例2：LINUX系統(tǒng)調(diào)用簡(jiǎn)介已經(jīng)提到的系統(tǒng)調(diào)用fork(),exec(),open(),read(),write(),close()…Linux系統(tǒng)調(diào)用有二百五十多個(gè)應(yīng)用程序及系統(tǒng)調(diào)用的層次關(guān)系應(yīng)用程序C庫(libc.a)系統(tǒng)調(diào)用 調(diào)用printf(){}write(){}printf(…);write(){}

系統(tǒng)調(diào)用與普通的函數(shù)調(diào)用很相似，但普通函數(shù)調(diào)用不能引起進(jìn)程從用戶態(tài)到核心態(tài)的轉(zhuǎn)換。這個(gè)過程是如何實(shí)現(xiàn)的呢？中斷??！應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的間接調(diào)用過程嵌入形成…A=A+1printf(…)B=B+A……INT…A=A+1…INT…B=B+A…IN…OUT…用戶程序段源程序段目標(biāo)代碼printf的操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼庫函數(shù)printf目標(biāo)代碼陷入指令系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)LINUX系統(tǒng)調(diào)用加載操作系統(tǒng)加載時(shí)與系統(tǒng)調(diào)用有關(guān)的處理（int

80h是unix/linux類操作系統(tǒng)內(nèi)核在Intel

CPU架構(gòu)上作為系統(tǒng)調(diào)用使用的中斷號(hào)

）int80h中斷處理程序地址的加載start_kernel()->trap_init()//硬件中斷向量初始函數(shù)->set_system_gate(SYSCALL_VECTOR.&system_call)//參見http://lxr.linux.no各系統(tǒng)調(diào)用處理程序的加載系統(tǒng)調(diào)用總控程序System_call在Entry.S中（arch/i386/kernel）系統(tǒng)調(diào)用表在啟動(dòng)時(shí)加載（unistd.h中定義系統(tǒng)調(diào)用號(hào)）系統(tǒng)一般都配置有特定指令，使進(jìn)程的執(zhí)行由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為核心態(tài)，這種指令通常稱作陷入（trap）指令。進(jìn)程通過執(zhí)行陷入指令，便可進(jìn)入核心態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用代碼。Linux的x86平臺(tái)上的這條陷入指令是int0x80h.LINUX系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)原理

||------>|SystemCalli|訪問設(shè)備|||[sys_read()]|...i＝3||||system_call(i)|--------||訪問內(nèi)部函數(shù)[read()]|||...j＝20|||system_call(j)|--------||[get_pid()]||||...|------->|SystemCallj|訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)||[sys_getpid()]|LINUX系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)代碼1int80hin2.4.x202ENTRY(system_call)203pushl%eax #saveorig_eax,eax存放系#統(tǒng)調(diào)用序號(hào)204SAVE_ALL205GET_CURRENT(%ebx)206testb$0x02,tsk_ptrace(%ebx)#PT_TRACESYS207jnetracesys208cmpl$(NR_syscalls),%eax209jaebadsys210call*SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)211movl%eax,EAX(%esp)#savethereturnvalue212ENTRY(ret_from_sys_call)#define_syscall0(type,name)\298typename(void)\299{\300long__res;\301__asm__volatile("int$0x80"\302:"=a"(__res)\303:""(__NR_##name));\304__syscall_return(type,__res);\305}_syscall0(int,fork)intfork(void){ “int80with_NR_fork”//2}LINUX系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)_syscall0代碼系統(tǒng)調(diào)用與普通的函數(shù)調(diào)用過程很相似，只是被調(diào)用的代碼是操作系統(tǒng)核心代碼，需要在核心態(tài)下運(yùn)行。

2.系統(tǒng)調(diào)用處理過程read(fd,buffer,nbytes)的系統(tǒng)調(diào)用過程內(nèi)核空間保存現(xiàn)場(chǎng)和相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用處理程序根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)和系統(tǒng)調(diào)用表，獲得系統(tǒng)調(diào)用處理程序的入口地址陷入內(nèi)核Trap把read系統(tǒng)調(diào)用號(hào)存放到寄存器中返回調(diào)用者參數(shù)fd，buffer，nbytes入棧調(diào)用read的用戶程序庫過程read用戶空間調(diào)用庫過程read系統(tǒng)調(diào)用與函數(shù)調(diào)用的不同系統(tǒng)調(diào)用和函數(shù)庫的關(guān)系系統(tǒng)調(diào)用能引起進(jìn)程從用戶態(tài)到核心態(tài)的轉(zhuǎn)換，普通函數(shù)調(diào)用不能。函數(shù)庫中的函數(shù)可以不調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用程序，也可以調(diào)用多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。高級(jí)編程也可以直接使用系統(tǒng)調(diào)用中斷（如，int0x80h）進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用，而不必通過函數(shù)庫作為中介。在核心編程可以使用系統(tǒng)調(diào)用中斷進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用，此時(shí)不能使用函數(shù)庫。3.系統(tǒng)調(diào)用表系統(tǒng)調(diào)用表記錄了所有系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)的入口地址，通過系統(tǒng)調(diào)用號(hào)查看系統(tǒng)調(diào)用表就能獲得相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)入口地址。與中斷一樣，每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都擁有一個(gè)唯一的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。系統(tǒng)調(diào)用通常是通過特殊的硬件指令和中斷來實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)通常用一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)中斷號(hào)來映射系統(tǒng)中所有的系統(tǒng)調(diào)用。如Linux系統(tǒng)使用0x80號(hào)中斷作為所有系統(tǒng)調(diào)用的入口；i386的Windows系統(tǒng)使用0x2E號(hào)中斷作為大多數(shù)系統(tǒng)調(diào)用的入口。ENTRY(sys_call_table).longSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall).longSYMBOL_NAME(sys_exit).longSYMBOL_NAME(sys_fork).longSYMBOL_NAME(sys_read).longSYMBOL_NAME(sys_write)......Linux的系統(tǒng)調(diào)用表4.應(yīng)用程序使用操作系統(tǒng)的方式三種：系統(tǒng)調(diào)用中斷獨(dú)立程序（不以任何方式使用操作系統(tǒng)，包括啟動(dòng)和結(jié)束。）存儲(chǔ)器層次主存儲(chǔ)器與MMU高速緩存磁盤存儲(chǔ)器1.4存儲(chǔ)器系統(tǒng)寄存器高速緩存主存磁盤光盤磁帶板上存儲(chǔ)器板外存儲(chǔ)器1.存儲(chǔ)器層次容量速度，價(jià)格2.主存儲(chǔ)器與MMU（1）主存儲(chǔ)器主存是主板上的一種存儲(chǔ)部件，是CPU可以直接訪問的唯一的大容量存儲(chǔ)區(qū)域。CPU訪問的指令和數(shù)據(jù)必須存放在的主存中。字節(jié)是主存的最小編址單位，主存由一個(gè)存儲(chǔ)字的陣列組成，每個(gè)字由一個(gè)唯一的地址。為簡(jiǎn)化主存的分配和管理，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常把主存儲(chǔ)器分成若干個(gè)存儲(chǔ)塊，并以存儲(chǔ)塊作為主存分配單位。（2）存儲(chǔ)訪問的局部性原理存儲(chǔ)器訪問局部性是引入多層次存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，表現(xiàn)為時(shí)間局部性和空間局部性。程序執(zhí)行時(shí)，通常會(huì)有循環(huán)和子程序調(diào)用，一旦進(jìn)入這樣的程序段，就會(huì)重復(fù)存取相同的指令集合。數(shù)據(jù)存取也有局部性。如訪問一個(gè)較大規(guī)模的數(shù)組，在較短的時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)的讀取穩(wěn)定地保持在存儲(chǔ)器的一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)。2.主存儲(chǔ)器與MMU（3）存儲(chǔ)保護(hù)為使多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行時(shí)在主存空間上互不侵犯，需要對(duì)主存中的信息加以嚴(yán)格保護(hù)。常用的存儲(chǔ)保護(hù)方式有兩種：地址寄存器（界限寄存器）存儲(chǔ)鍵2.主存儲(chǔ)器與MMU（1）界地址寄存器（界限寄存器）界地址寄存器是廣泛使用的一種存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)。通過在CPU中設(shè)置一對(duì)界限寄存器：下限寄存器和上限寄存器，來存放用戶作業(yè)在主存中的下限地址和上限地址。每當(dāng)CPU要訪問主存，硬件自動(dòng)將被當(dāng)前訪問地址與界限寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷是否越界，如果未越界，則按此地址訪問主存，否則將產(chǎn)生越界中斷——越界中斷（存儲(chǔ)保護(hù)中斷）。也可將界地址寄存器中的一個(gè)寄存器作為基址寄存器，另一寄存器作為限長(zhǎng)寄存器（指示存儲(chǔ)區(qū)長(zhǎng)度）。界地址寄存器存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)（2）存儲(chǔ)鍵每個(gè)存儲(chǔ)塊分配一個(gè)由二進(jìn)位組成的存儲(chǔ)保護(hù)鍵。作業(yè)被允許進(jìn)入主存時(shí)，OS分為它分配一個(gè)唯一的存儲(chǔ)鍵號(hào)。分配給作業(yè)存儲(chǔ)塊的存儲(chǔ)鍵與作業(yè)的存儲(chǔ)鍵號(hào)相同。運(yùn)行一個(gè)作業(yè)時(shí)，OS將當(dāng)前作業(yè)的存儲(chǔ)鍵號(hào)存入PSW的存儲(chǔ)鍵（“鑰匙”）域中。當(dāng)CPU訪問主存時(shí)，將該主存塊的存儲(chǔ)鍵與PSW中的“鑰匙”進(jìn)行比較，如果匹配，則允許訪問，否則，拒絕并報(bào)警。（3）MMUMMU（MemoryManagementUnit，主存管理單元）是CPU中用來管理虛擬存儲(chǔ)器、物理存儲(chǔ)器的控制線路，負(fù)責(zé)將虛擬地址映射為物理地址的硬件部件。由CPU位數(shù)決定的地址范圍稱為虛擬地址空間。大多數(shù)時(shí)候計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理地址空間只是虛擬地址空間的一個(gè)子集。如，256M的32bitx86的機(jī)器，其虛擬地址空間是0~0xFFFFFFFF，而物理地址空間是0x000000000~0x0FFFFFFF。在使用了虛擬存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，虛擬地址不是被直接送到主存地址線上，而是送到MMU，由MMU將虛擬地址映射為物理地址。2.