第二章操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利1華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利2第二章操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利3第二章操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

2.1概述

為提高計算機(jī)系統(tǒng)資源的使用效率和方便用戶在計算機(jī)系統(tǒng)中必須配備操作系統(tǒng).

操作系統(tǒng)是一個大型的軟件，規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。操作系統(tǒng)必須是一個清晰、正確的邏輯結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計是軟件界權(quán)威Dijkstra,E.W.(菏蘭人）提出的一種程序設(shè)計的方法。華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利4第二章操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

2..1概述2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利52.1概述

2.1.2操作系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

左圖既可看成是一個多層虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)，也可是通常操作系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。在2.5節(jié)將看到UNIX系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利62.2基本硬件結(jié)構(gòu)2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令（一）處理機(jī)的狀態(tài)在計算機(jī)系統(tǒng)中有兩類程序運(yùn)行：用戶程序系統(tǒng)程序用戶程序、系統(tǒng)程序執(zhí)行時有不同的權(quán)限。根據(jù)對系統(tǒng)資源和機(jī)器指令的使用權(quán)限，把處理機(jī)執(zhí)行時的工作狀態(tài)分為核態(tài)和用戶態(tài)，有的操作系統(tǒng)還將系統(tǒng)程序執(zhí)行時的機(jī)器的狀態(tài)又分為核態(tài)和管態(tài)。其權(quán)限次序是：核態(tài)、管態(tài)、用戶態(tài)。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利72.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令（一）處理機(jī)的狀態(tài)

核態(tài)（KernelMode)：

CPU執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下允許CPU使用全部資源和全部指令，其中包括一組特權(quán)指令（如涉及外設(shè)的I/O、改變處理機(jī)狀態(tài)、修改存儲保護(hù)的指令），實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的分配與管理，為用戶提供使用外部設(shè)備的服務(wù)。

管態(tài)比核態(tài)的權(quán)限低，在此狀態(tài)下允許使用一些用戶態(tài)下不能使用的資源，但不能使用修改CPU狀態(tài)的指令。無核態(tài)時，管態(tài)執(zhí)行核態(tài)的全部功能。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利82.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令用戶態(tài)(UserMode)：用戶程序執(zhí)行時CPU所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權(quán)指令，不能直接使用系統(tǒng)資源與改變CPU狀態(tài)，并且只能訪問用戶程序所在的存儲空間。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利9當(dāng)CPU執(zhí)行用戶程序時，CPU機(jī)處于用戶態(tài)，在執(zhí)行的過程中出現(xiàn)了中斷（或自陷）時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去處理與中斷有關(guān)的事件，這時cpu由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換成核態(tài)（或管態(tài)），處理完中斷后，返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，這時cpu由核態(tài)轉(zhuǎn)換成用戶態(tài)。右圖是UNIX系統(tǒng)環(huán)境下處理機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，在UNIX系統(tǒng)中，把核態(tài)稱為核心態(tài)2.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令（一）處理機(jī)的狀態(tài)2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利102.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令二、特權(quán)指令集

在核態(tài)下操作系統(tǒng)可以使用所有指令，包括一組特權(quán)指令。允許和禁止中斷；在進(jìn)程之間切換處理機(jī)；存取用于內(nèi)存保護(hù)的寄存器；執(zhí)行輸入和輸出操作；停止一個中央處理機(jī)的工作。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利112.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1處理機(jī)狀態(tài)及特權(quán)指令

二、特權(quán)指令集

在下列情況下，由用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核態(tài)：用戶程序要求操作系統(tǒng)的服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)用；發(fā)生一次中斷；在用戶程序中產(chǎn)生了一個錯誤的狀態(tài)；在用戶程序中企圖執(zhí)行一條特權(quán)指令；從核態(tài)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)用一條指令實現(xiàn)，這條指令也是特權(quán)指令。一般情況下是中斷返回指令。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利122.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.2存儲器主存儲器（主存、內(nèi)存）：

央處理機(jī)能直接訪問的存儲器稱為主存儲器，用來存放正在或?qū)⒁獔?zhí)行的系統(tǒng)和用戶程序和數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行時要求的臨時存儲空間。輔存儲器（輔存、外存）：中央處理機(jī)不能直接訪問的存儲器，如磁盤、磁帶、光盤等，用來存放大量的數(shù)據(jù)信息。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利132.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.2存儲器（一）主存儲器的類型隨機(jī)訪問存儲器RAM（randomaccessmemory)只讀存儲器ROM(Read-onlymemory)

在微機(jī)中有這兩種類型的存儲，一種是ROM稱為BIOS，用來存放基本的I/O程序。另一種是RAM，通常所說的64MB、128MB（二）存儲器組織（略）（三）存儲保護(hù)（略）2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利142.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.3時鐘

時鐘是操作系統(tǒng)運(yùn)行時必不可少的硬設(shè)施，它以固定的時間間隔產(chǎn)生中斷信號，這對于實施進(jìn)程調(diào)度、計算系統(tǒng)資源的消耗、實時控制等功能是必不可少的。在操作系統(tǒng)中需時鐘支持的工作有：分時系統(tǒng)調(diào)度；實時控制；提供用戶和系統(tǒng)所需的絕對時間（日歷時鐘、墻鐘）。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利152.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（一）中斷概念中斷是指某個事件（例如，電源掉電、俘點(diǎn)運(yùn)算溢出、外部設(shè)備傳輸完成或出錯等）發(fā)生時，系統(tǒng)中止現(xiàn)運(yùn)行程序的執(zhí)行，引出處理事件程序?qū)ο鄳?yīng)事件進(jìn)行處理，處理完畢后返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。中斷源：引起中斷的事件稱中斷源，如打印完成中斷，其中斷源是打印機(jī)。斷點(diǎn)：發(fā)生中斷時正在運(yùn)行的程序被暫時停止，程序的暫停點(diǎn)稱為斷點(diǎn)。例如，某程序正在執(zhí)行0200地址的指令被中斷，那么，0200地址就是斷點(diǎn)，在中斷返回時就執(zhí)行0200的下一條指令。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利162.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（一）中斷概念中斷響應(yīng)：是處理機(jī)發(fā)現(xiàn)有中斷請求時，中止現(xiàn)運(yùn)行程序的執(zhí)行并自動引出中斷處理程序的過程。中斷處理程序：對中斷事件進(jìn)行處理的程序叫中斷處理程序。如時鐘中斷處理、打印機(jī)完成中斷處理、打印機(jī)缺紙中斷處理等等。它是操作系統(tǒng)中與硬件最接近的一部分，是操作系統(tǒng)與硬件的接口。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利172.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲（一）中斷概念

的中斷機(jī)構(gòu)PC2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利182.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（二）中斷類型1、輸入輸出中斷它是當(dāng)外部設(shè)備或通道操作正常結(jié)束或發(fā)生錯誤時所發(fā)生的中斷。例如：打印機(jī)打印完成、缺紙，讀磁盤時相應(yīng)驅(qū)動器中沒有磁盤等。2、外中斷對某個中央處理機(jī)而言，它的外部非通道式裝置所引起的中斷稱為外部中斷。例如，時鐘中斷、操作員控制臺中斷，多處理機(jī)系統(tǒng)中CPU到CPU之間的通信中斷等。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利192.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（二）中斷類型3、硬件故障中斷當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時的中斷叫硬件故障中斷。例如，電源故障、內(nèi)存單元奇偶校驗錯。4、程序性中斷在程序執(zhí)行的過程中，發(fā)現(xiàn)了程序性質(zhì)的錯誤或出現(xiàn)了某些特定狀態(tài)而產(chǎn)生的中斷。如浮點(diǎn)溢出、用戶態(tài)下使用了特權(quán)指令、內(nèi)存越界、跟蹤等。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利202.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（二）中斷類型5、訪管中斷對操作系統(tǒng)提出某種請（需）求時所發(fā)生的中斷。例如，創(chuàng)建進(jìn)程，I/O傳輸、打開文件、關(guān)閉文件、文件的讀、寫等系統(tǒng)調(diào)用。以上五種中斷也歸納成兩類，其一是來自處理機(jī)外部的事件，稱為外部中斷，如I/O中斷、外中斷。另一類是來自處理機(jī)的中斷，稱為內(nèi)部中斷，如硬件故障中斷、程序性中斷、訪管中斷。在這類中斷有時稱俘獲（也有稱陷入、陷阱、自陷、捕俘等，它的英文名稱為trap，來自早期的UNIX系統(tǒng)）2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利212.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲（三）中斷進(jìn)入對中斷請求的整個處理過程稱為中斷處理，它是由軟、硬件結(jié)合形成的一套中斷機(jī)構(gòu)實施的。在本教材中叫中斷進(jìn)入。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利222.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入1、保護(hù)中斷現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場現(xiàn)場：是被中斷斷點(diǎn)時刻處理機(jī)的各種信息，包括：程序狀態(tài)字；各寄存器的值；打開文件的狀態(tài)這些現(xiàn)場信息的多少根據(jù)具體系統(tǒng)的處理方法不同差別很大，例如UNIX系統(tǒng)，在中斷返回后有可能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，那么，現(xiàn)場信息除包括各寄存器的值，程序狀態(tài)字，打開文件的狀態(tài)外，還有保證被中斷的進(jìn)程重新被調(diào)度時恢復(fù)運(yùn)行環(huán)境指針和棧指針2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利232.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入

保護(hù)現(xiàn)場：在進(jìn)入中斷時將現(xiàn)場信息保存到指定的位置，一般情況是保留到系統(tǒng)棧中?；謴?fù)現(xiàn)場：在中斷處理完成后，返回斷點(diǎn)之前將保留在棧中的斷點(diǎn)的現(xiàn)場信息恢復(fù)，使被中斷的程序能繼續(xù)正確地執(zhí)行。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利242.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入2、程序狀態(tài)字在計算機(jī)系統(tǒng)中有一個寄存器（有的系統(tǒng)有幾個寄存器）用來存放程序狀態(tài)字，稱為PS。其中包括指令計數(shù)器（PCProgramcounter,instructioncounter)程序現(xiàn)應(yīng)執(zhí)行哪條指令，當(dāng)前指令執(zhí)行的情況機(jī)器處于何種狀態(tài)（核態(tài)、用戶態(tài)）程序執(zhí)行時應(yīng)屏蔽哪些中斷（處理機(jī)運(yùn)行級）尋址方式、編址、保護(hù)鍵2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利252.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入例1：PDP－11系列機(jī)的PS：

PC是另一個寄存器2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利262.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入3、中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)：是處理機(jī)發(fā)現(xiàn)有中斷請求時，中止現(xiàn)運(yùn)行程序的執(zhí)行，并自動引出中斷處理程序的過程。中斷響應(yīng)的實質(zhì)是交換指令執(zhí)行地址和處理機(jī)的狀態(tài)，以達(dá)到如下目的：（1）保留程序斷點(diǎn)及有關(guān)信息；（2）自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序執(zhí)行。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利272.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入4、中斷向量具有向量機(jī)制的計算機(jī)的中斷向量包括兩個字：中斷處理程序的入口地址中斷處理程序的程序狀態(tài)字2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利282.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利292.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利302.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

（三）中斷進(jìn)入教材P34的圖2.7給出了PDP－11計算機(jī)上的trap的示意圖，歸納起來有以下四個動作：(SP)PS(SP)PCPC(34)PS(36)2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利312.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲(四）中斷處理中斷處理和自陷處理的過程是類似的，當(dāng)硬件完成了中斷進(jìn)入后，轉(zhuǎn)到中斷處理程序，進(jìn)入軟件中斷處理過程。這個過程主要有如下三項工作：（1）保護(hù)現(xiàn)場和傳遞參數(shù)；（2）執(zhí)行相應(yīng)的中斷（或自陷）處理程序；（3）恢復(fù)和退出。注:在中斷進(jìn)入時由硬件保護(hù)了被中斷程序的PC和PS，在中斷處理中保護(hù)各寄存器的值和其它狀態(tài)信息。2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利322.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

(四）中斷處理2023/1/11華中理工大學(xué)計算機(jī)學(xué)院李勝利332.2基本硬件結(jié)構(gòu)

2.2.4中斷與俘獲

(四）中斷處理UNIX系統(tǒng)的中斷處理程序1.中斷、自陷處理總控程序2023/1