第二章 操作系统组织结构

1、1第二章第二章 操作系统的组织结构操作系统的组织结构o2.1 o2.3 o2.4 中断机制中断机制o2.5 UNIX系统结构系统结构22.1 操作系统虚拟机操作系统虚拟机o 1. 什么是操作系统虚什么是操作系统虚拟机拟机n在裸机上配置了操作系统程序后就构了操作系统虚拟机。n 操作系统的核心在裸机上运行，用户程序在扩充后的机器上运行。扩充后的机器操作系统裸机应用程序用户程序3 o2. 操作系统虚拟机的指令系统操作系统虚拟机的指令系统n操作系统虚拟机的指令系统，又称为操作命令语言，它是用户和系统进行通信的手段和界面。虚拟机的功能是通过它提供的命令体现的。o操作命令(又称命令接口) n作业控制语言（

2、批处理中的作业说明书等）n键盘命令（分时系统、个人PC）n图形化用户界面（交互方式）o系统功能调用(又称程序接口) 2.1 操作系统虚拟机操作系统虚拟机4o操作系统的虚拟技术nCPU调度（分时共享）n现代操作系统的虚拟存储技术（逻辑地址与物理地址的映射）n设备管理中的虚拟设备和虚拟分配技术o虚拟技术的原理：n系统硬件包括CPU、主存和各种外部设备，每台硬部件被操作系统复制成多个虚拟部件，并分配给每个应用程序。这样，每个应用程序感觉自己拥有CPU、主存和外部设备。2.1 操作系统虚拟机操作系统虚拟机打印机2打印机1虚拟主存1CPU2CPU1打印机主存CPU3虚拟主存2分时主存管理假脱机打印软件硬

3、件52.2 操作系统逻辑结构操作系统逻辑结构o整个操作系统在结构上类似一个洋葱头，它由若干层组成，每一层都提供一组功能，这些功能只依赖于该层以内的各层。n系统核具有初级中断处理、外部设备驱动、在进程间切换处理机及实施进程控制和通信功能，提供一种进程可存在和活动的环境。n系统核以外各层具有各种资源管理功能并为用户提供各种服务。n分层的组织结构在一些操作系统中只是作为一种指导性原则。裸机初级中断处理进程控制进程通信处理机分配存储管理I/O处理文件存取资源分配和调度6o 1. 设置处理机状态的目的设置处理机状态的目的n为操作系统建立一个保护环境，采用的办法是区分处理机的工作状态。o系统中有两类程序：

4、 管理程序管理程序 用户程序用户程序 管理系统资源 使用资源，提出申请 控制程序运行 被控制2.3 处理机的状态处理机的状态7 o2. 什么是处理机的态什么是处理机的态n中央处理机的工作状态，当前它正在执行哪类程序。o3. 处理机态的类别处理机态的类别n管态 (Supervisor mode) 系统态o操作系统管理程序执行时机器所处状态。cpu使用全部指令和全部系统资源，包括一组特权指令及整个存储区域。n用户态(User mode)目态o用户程序执行时机器所处的状态。在此状态下禁止使用特权指令，不能直接取用资源与改变机器状态，并且只允许用户程序访问自己的存储区域。 2.3 处理机状态处理机状态

5、8 管态 用户态 操作系统的程序执行 用户程序执行 使用全部指令 禁止使用特权指令 (包括一组特权指令) 使用全部系统资源 只允许用户程序访 (包括整个存储区域) 问自己的存储区域。o有的系统还将管理程序执行时的机器状态又进一步分为核态和管态，管态比核态权要低。o区分处理机的工作状态是通过在计算机状态寄存器中的状态位（或模式位）来体现的。2.3 处理机状态处理机状态9o4. 特权指令特权指令n在核态下，操作系统可以使用所有指令，包括一组特权指令。这些特权指令执行如下各种功能： o改变机器状态的指令o修改特殊寄存器的指令o涉及外部设备的输入/输出指令n在下列情况下，由用户态自动转向管态： o 用

6、户进程操作系统，要求操作系统的某种服务，这种访问称为系统功能调用。 o 在程序执行时，发生一次中断。 o 在一个用户进程产生一个错误状态，将被处理为内部中断。 o 用户态下执行特权指令，作为特殊类型的错误，按处理。 n从管态返回用户态是用一条指令实现的，这条指令本身也是特权指令。2.3 处理机状态处理机状态10o1 中断概念中断概念n所谓中断是指某个事件 (例如电源掉电、定点加法溢出或I/O传输结束等) 发生时，系统中止现行程序的运行、引出处理事件程序对该事件进行处理，处理完毕后返回断点，继续执行。正在执行的用户程序继续执行中断处理程序中断进入中断返回2.4 中断机制中断机制11o2 中断类型

7、中断类型n按中断功能分类按中断功能分类o输入输出中断：输入输出中断：I/O传输结束或出错中断。o外中断：外中断：时钟中断、操作员控制台中断、通信中断等o机器故障中断：机器故障中断：电源故障、主存取指令错、长线传输时的奇偶校验错等。o程序性中断：程序性中断：定点溢出、用户态下用核态指令、越界、非法操作等。o访管中断：访管中断：对操作系统提出某种需求时所发出的中断称为访管中断。2.4 中断机制中断机制1. 时钟主要是用于维护多任务系统中各进程(任务)执行的时间周期，等待时钟，系统计时和任务切换；2. 内核每隔10毫秒由定时芯片8253激发8259的引脚IRQ0，引起CPU去执行时钟中断处理过程。在

8、该时钟中断过程中，主要做了一下一些事: a. 递增当前进程所用时间值； b. 若有用户设置的定时器存在，则对其进行处理(定时到则调用定时处理程序)； c. 执行调度程序schedule()。12o按中断方式分类按中断方式分类n强迫性中断强迫性中断o这类中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由某种事故或外部请求信号所引起的。o强迫性中断：输入输出中断、外中断、机器故障中断、程序性中断 n自愿中断自愿中断o它是运行程序所期待的事件，这种事件是由于运行程序请求操作系统服务而引起的。o自愿中断如：访管中断2.4 中断机制中断机制13 o按中断来源分类按中断来源分类n中断中断o由处理机外部事件引起的中

9、断称为外中断。包括输入输出中断、外中断。n俘获俘获o由处理机内部事件引起的中断称为内中断，又称为俘获。包括访管中断、程序性中断、机器故障中断。nPDP 11系列机中断与俘获的分类2.4 中断机制中断机制trap指令浮点溢出地址越界非法指令exitforkreadclock时钟 rk磁盘 tty终端中断与俘获中断俘获14o3 中断进入中断进入 中断响应所需要的硬件包括 正在执行的用户程序继续执行中断处理程序中断进入中断返回指令计数器PC系统堆栈SP中断向量表处理机状态寄存器PS2.4 中断机制中断机制15o3 中断进入中断进入n保护现场和恢复现场保护现场和恢复现场o现场: 是指在中断的那一时刻能

10、确保程序继续运行的有关信息。主要包括:后继指令所在主存的单元号、程序运行所处的状态、指令执行情况、以及程序执行的中间结果等 o保护现场n当中断发生时，必须立即把现场信息保存在主存中。o恢复现场 n程序重新运行之前，把保留的该程序现场信息从主存中送至相应的指令计数器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。2.4 中断机制中断机制16o程序状态字程序状态字 (psw)n程序状态字是反映程序执行时机器所处的现行状态的代码。n主要内容包括：o程序现在应该执行哪条指令；o当前指令执行情况；o处理机处于何种工作状态；o程序在执行时应该屏蔽哪些中断；o寻址方法、编址、保护键；o响应中断的内容。o这些信息的存储不同

11、的机器采用的方式不同。 2.4 中断机制中断机制17o程序状态字实例程序状态字实例nIBM 370 机 程序状态字内容 PSW寄存器nPDP 11系列机 程序状态字内容 PC 指令计数器 PS 处理器状态寄存器 oC 为进位位， V 为溢出位， Z 为零位， N 为负位， T 为自陷位。方式为系统状态：00表示核态，11表示用户态。优先级是指处理器的当前优先级。 为使中断有效， CPU 操作的优先级必须低于外部设备请求的优先级。2.4 中断机制中断机制18o中断响应中断响应 n什么是中断响应o中断响应是当中央处理机发现已有中断请求时，中止现行程序执行，并自动引出中断处理程序的过程。n中断响应过

12、程o保留程序断点及处理机有关信息o自动转入相应的中断处理程序执行n中断响应的实质o交换指令地址及处理机的状态信息2.4 中断机制中断机制19o中断响应过程中断响应过程（以自陷指令为例）ntrap 指令执行时有以下四个动作：oTrap指令的俘获地址是034和036号单元。（SP） PS （SP） PC PC （ 34 ） PS （ 36 ） 2.4 中断机制中断机制20o4 向量中断向量中断n什么是向量中断什么是向量中断o当中断发生时，由中断源自己引导处理机进入中断服务程序的中断过程称为向量中断。o中断向量就是存储该类型的中断的中断服务例行程序的入口地址和处理器状态字的存储单元。n中断向量中断向

13、量o中断向量包含两个内容，一是某类型中断的中断服务例行程序的入口地址，另一个是处理器状态字。n中断向量表中断向量表o系统中（主存中）所有中断类型的中断向量放在一起，形成了中断向量表。2.4 中断机制中断机制21中断类型中断类型 中断向量中断向量 PC及及PS值值 终端输入 060 终端输入处理程序入口地址 062 0200 终端输出064 终端输出处理程序入口地 066 0200 纸带输入070 纸带输入处理程序入口地址 072 0200 纸带输入074 纸带输出处理程序入口地址 076 0200 电源时钟100 电源时钟处理程序入口地址 102 0300 程序时钟 104 程序时钟处理程序入

14、口地址 106 0300 行式打印机200 行式打印机处理程序入口地址 202 0200 RK磁盘 220 RK磁盘处理程序入口地址 222 0240表表2.1 PDP11系列机中断向量地址及中断向量单元内容系列机中断向量地址及中断向量单元内容22俘获类型俘获类型 俘获向量地址俘获向量地址 PC及及PS值值 总线超时 004 trap 006 340+0 非法指令 010 trap 012 340+1 断点跟踪指令 014 trap 016 340+2 IOT指令 020 trap 022 340+3 电源故障 024 trap 026 340+4 EMT指令 030 trap 032 340

15、+5 TRAP指令 034 trap 036 340+6 奇偶错 114 trap 116 340+7 程序中断 240 trap 242 340+7 浮点错 244 trap 246 340+8表表2.2 俘获向量地址及俘获向量单元俘获向量地址及俘获向量单元23o5 软件的中断处理过程软件的中断处理过程n当硬件完成了中断进入过程后，由相应的中断处理程序得到控制权，进入了软件的中断处理过程。 2.4 中断机制中断机制 保留被中断程序的现场 进入相应的中断服务例程 恢复被中断程序的现场程序返回自动进入k+0现行程序k+1进入中断退出中断242.5 UNIX系统结构系统结构o1 UNIX系统体系结构系统体系结构nUNIX核心层核心层 处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 中断和俘获处理nUNIX实用层实用层 o操作系统中能从核心层分离出来，以核外程序形式运行在用户环境下。 操作系统实用程序 编辑程序、调试程序、系统状态监控、文件管理的实用程序 语言处理程序C、Fortran、APL等语言及其编