Windows操作系统体系结构（课堂PPT）

1、1第二章第二章 Windows操作系统操作系统的体系结构（下）的体系结构（下）F陷阱调度陷阱调度中断调度中断调度异常调度异常调度系统服务调度系统服务调度F对象管理器对象管理器F本地过程调用本地过程调用FWindows的系统机制的系统机制2 当异常或中断发生时，硬件或软件可以检测到，处理器当异常或中断发生时，硬件或软件可以检测到，处理器会从用户态切换到核心态，并将控制转交给内核的陷阱会从用户态切换到核心态，并将控制转交给内核的陷阱处理程序，该模块检测异常和中断的类型，并将控制交处理程序，该模块检测异常和中断的类型，并将控制交给处理相应情况的代码给处理相应情况的代码 陷阱处理程序陷阱处理程序异常调

2、度程序虚拟存储器页面管理程序异常处理程序中断系统服务调用硬件异常软件异常虚拟地址异常中断调度程序中断服务例程服务调度程序系统服务3 异常和中断异常和中断 中断是异步事件，可能随时发生，与处理器正在执行的中断是异步事件，可能随时发生，与处理器正在执行的内容无关。中断主要由内容无关。中断主要由I/O设备、处理器时钟或定时器产设备、处理器时钟或定时器产生，可以被启用或禁用生，可以被启用或禁用 异常是同步事件，它是某一特定指令执行的结果。在相异常是同步事件，它是某一特定指令执行的结果。在相同条件下，异常可以重现。例如内存访问错误、调试指同条件下，异常可以重现。例如内存访问错误、调试指令以及被零除。令以

3、及被零除。 系统服务调用也视作异常。系统服务调用也视作异常。 软件和硬件都可以产生异常和中断。软件和硬件都可以产生异常和中断。4中断请求级别（中断请求级别（IRQL=Interrupt Request Level）Windows 操作系统运行操作系统运行的不同机器，其中断处的不同机器，其中断处理机制是各不相同的，理机制是各不相同的，为了可移植性的需要，为了可移植性的需要， Windows将与中断控制将与中断控制器硬件相关的中断级别器硬件相关的中断级别映射为一个标准的与硬映射为一个标准的与硬件无关的中断级别，即件无关的中断级别，即中断请求级别中断请求级别IRQL。这一映射由这一映射由HAL实现。

4、实现。IRQL采用符号名来命名采用符号名来命名HIGH_LEVEL POWER_LEVELIPI_LEVEL CLOCK_LEVELPROFILE_LEVELDEVICE_LEVELDISPATCH_LEVELAPC_LEVELPASSIVE_LEVEL 5在不同机器上，在不同机器上，IRQL的实际取值不的实际取值不尽相同尽相同由于由于IRQL与硬件无与硬件无关，所以可以将非关，所以可以将非硬件中断（软件中硬件中断（软件中断）映射到断）映射到IRQL体体系结构中。软件中系结构中。软件中断主要用于启动调断主要用于启动调度操作。度操作。6处理器的处理器的IRQL在多处理器系统中，任一处理器都可以接

5、收中断请求，所以在多处理器系统中，任一处理器都可以接收中断请求，所以Windows为每一个处理器维护一个独立的为每一个处理器维护一个独立的IRQL。7中断对象中断对象当处理器收到中断请求时，要通知相应设备的驱动程序进行当处理器收到中断请求时，要通知相应设备的驱动程序进行处理。为此，设备驱动程序应该向处理。为此，设备驱动程序应该向I/O管理器注册一个管理器注册一个ISR，可以通过调用可以通过调用IoConnectInterrupt来实现。来实现。IoConnectInterrupt初始化一个中断对象，来存放关于中断初始化一个中断对象，来存放关于中断及其及其ISR的信息。同时使处理器的中断服务表（

6、中断向量表的信息。同时使处理器的中断服务表（中断向量表/中断描述符表）的相应表项指向该中断对象。中断描述符表）的相应表项指向该中断对象。8硬件中断处理过程硬件中断处理过程9延迟过程调用延迟过程调用DPC当处理器处于较高当处理器处于较高IRQL时，将屏蔽低于或等于处理器当前时，将屏蔽低于或等于处理器当前IQRL的中断，可能使某些设备的中断得不到及时响应。的中断，可能使某些设备的中断得不到及时响应。为此，为此，Windows要求处理器在较高要求处理器在较高IRQL上运行的时间尽可能上运行的时间尽可能短，故引入延迟过程调用机制。短，故引入延迟过程调用机制。10 延迟过程调用延迟过程调用11结构化异常

7、处理结构化异常处理Windows在系统底层提供了一种称为结构化异常处理在系统底层提供了一种称为结构化异常处理(SEH)的系统机制。利用的系统机制。利用SEH可以把程序主要的工作可以把程序主要的工作同错误处理分离开来，这样的分离，可以使程序员集同错误处理分离开来，这样的分离，可以使程序员集中精力关注程序要完成的任务，而将可能发生的错误中精力关注程序要完成的任务，而将可能发生的错误放在后面处理。放在后面处理。异常是在应用程序的正常执行过程中发生的不正常事异常是在应用程序的正常执行过程中发生的不正常事件。件。CPU引发的异常称为引发的异常称为硬件异常硬件异常，操作系统和应用，操作系统和应用程序直接引

8、发的异常，称为程序直接引发的异常，称为软件异常软件异常12SEH是操作系统的一种系统机制，与特定的程序是操作系统的一种系统机制，与特定的程序设计语言无关。设计语言无关。应用程序要利用系统提供的应用程序要利用系统提供的SEH机制，则必须借机制，则必须借助于特定程序设计语言的相关语法。助于特定程序设计语言的相关语法。因此，因此，SEH不但涉及操作系统，而且与编译器有不但涉及操作系统，而且与编译器有密切的关系。密切的关系。结构化异常处理结构化异常处理13_try./guarded section_except(exception filter)./exception handler结构化异常处理结构

9、化异常处理14异常过滤器返回如下三个异常标识符之一异常过滤器返回如下三个异常标识符之一FECXEPTION_EXECUTE_HANDLERFECXEPTION_CONTINUE_EXECUTIONFECXEPTION_CONTINUE_SEARCH结构化异常处理结构化异常处理15异常调度异常调度每个线程拥有一个称为每个线程拥有一个称为TEB的数据结构，其中包含指向的数据结构，其中包含指向EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD结构的指针结构的指针EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD结构包含两个域：结构包含两个域：next指向下一个指向下一个EXCEPTI

10、ON_REGISTRATION_RECORD 结构结构handler指向指向_except_handler16异常调度异常调度Thread Environment Block (FS:0)EXCEPTION_REGISTRATION_RECORDOther FieldsEXCEPTION_REGISTRATION_RECORDHandlerCallback PointerNext_except_handler() /except code here17_except_handler()(Doesnt handle it)_except_handler()(Doesnt handle it)_e

11、xcept_handler()(Does handle it)12345678910Exception Generated18 系统服务是操作系统提供的一组函数，系统服务是操作系统提供的一组函数，系统服务由执行体实现。系统服务由执行体实现。 为方便用户编程，为方便用户编程，Windows以以DLL的形的形式式提供了提供了API，用户可以通过调用，用户可以通过调用API函函数来使用系统服务。数来使用系统服务。 利用利用API间接调用系统服务的优点：间接调用系统服务的优点： 方便方便 增加应用程序的可移植性增加应用程序的可移植性19 API调用与系统服务不存在一一对应的关调用与系统服务不存在一一对

12、应的关系系20 在在Alpha处理器上执行处理器上执行syscall指令或在指令或在Intel x86处理器上执行处理器上执行int 2E指令都会引指令都会引起系统服务调度。起系统服务调度。mov eax, xxxx;系统服务号系统服务号mov edx, xxxx;参数指针参数指针int 2eh21 内核使用执行内核使用执行int 2E指令时设置的系统服务号在指令时设置的系统服务号在系统服务调度表系统服务调度表中查找对应的系统服务。中查找对应的系统服务。 系统服务调度表是一个核心数据结构，其中包系统服务调度表是一个核心数据结构，其中包含了指向各个系统服务的指针。含了指向各个系统服务的指针。22

13、系统服务调度程序将依次作下面几件事：系统服务调度程序将依次作下面几件事：校验参数校验参数调用者的参数从线程的用户堆栈复制到它的调用者的参数从线程的用户堆栈复制到它的核心堆栈中核心堆栈中执行系统服务执行系统服务 2324 Windows的核心态组件使用了面向对象设的核心态组件使用了面向对象设计原则，从而为执行体实现的内部服务提计原则，从而为执行体实现的内部服务提供了一致且安全的访问机制供了一致且安全的访问机制 对象管理器（对象管理器（Object Manager）是执行体）是执行体组件之一：组件之一： 用于创建、删除、保护和跟踪对象用于创建、删除、保护和跟踪对象 实现对象的集中保护实现对象的集中

14、保护 实现了资源的访问控制实现了资源的访问控制 对象管理器有一套对象命名方案和统一的保留规则，对象管理器有一套对象命名方案和统一的保留规则，能够容易地操纵现有对象能够容易地操纵现有对象 25 执行体对象执行体对象 由执行体的各种组件实现由执行体的各种组件实现 进程管理器、内存管理器、进程管理器、内存管理器、I/O子系统等子系统等 内核对象内核对象 由内核实现的原始的对象集合由内核实现的原始的对象集合 这些对象对用户态代码是不可见这些对象对用户态代码是不可见的，它们仅在执行体内创建和使的，它们仅在执行体内创建和使用用 内核对象提供了一些基本功能，内核对象提供了一些基本功能，许多执行体对象内包含着

15、一个许多执行体对象内包含着一个或多个内核对象。或多个内核对象。 26 对象的结构对象的结构 对象头对象头 由对象管理器控制由对象管理器控制对象名：使对象可以被其它进程所引用对象名：使对象可以被其它进程所引用安全描述符：包含访问许可安全描述符：包含访问许可打开句柄信息：包含哪些进程使用该对象的信息打开句柄信息：包含哪些进程使用该对象的信息引用计数：包含未完成的引用该对象的句柄数引用计数：包含未完成的引用该对象的句柄数 对象体对象体由各执行体组件控制由各执行体组件控制27执行体对象执行体对象内核对象内核对象执行体执行体内核内核应用程序应用程序句柄句柄用户态用户态核心态核心态28对于某些表示共享对于

16、某些表示共享资源的对象，如果资源的对象，如果一个对象已经创建，一个对象已经创建，当第二个进程试图当第二个进程试图再次创建对象时，再次创建对象时，执行体只是创建一执行体只是创建一个新的句柄个新的句柄29 LPC=Local Procedure Call(本地过程调用本地过程调用) 通常在一个服务器进程与该服务器的一个通常在一个服务器进程与该服务器的一个或多个客户进程之间进行通信时使用或多个客户进程之间进行通信时使用LPC机制。机制。 一个用于消息传输的进程间通信机制一个用于消息传输的进程间通信机制 使用使用LPC的例子：的例子： 用户程序调用某些用户程序调用某些Win32 API将导致给将导致给

17、Win32子系统服务进程（子系统服务进程（CSRSS.EXE）发送消息）发送消息30LPC的两种交换消息的方法：的两种交换消息的方法：使用包含信息的缓冲区调用使用包含信息的缓冲区调用LPC可以发送少于可以发送少于256字节的信息。然后，这个信息又从发送进程字节的信息。然后，这个信息又从发送进程的地址空间复制到系统地址空间，再从那里拷的地址空间复制到系统地址空间，再从那里拷贝到接收进程的地址空间。贝到接收进程的地址空间。如果用户和服务器想交换大于如果用户和服务器想交换大于256字节的数据，字节的数据，那么他们可以选择使用双方都映射了的共享区。那么他们可以选择使用双方都映射了的共享区。发送方将信息

18、数据放到共享区，然后向接收方发送方将信息数据放到共享区，然后向接收方发送一小段信息表明在共享区的什么地方可以发送一小段信息表明在共享区的什么地方可以找到数据。找到数据。31LPC导出一个称为端口对象导出一个称为端口对象(port object)的执行的执行体对象，用它来维护通信所需要的状态。体对象，用它来维护通信所需要的状态。端口对象拥有四种类型的端口：端口对象拥有四种类型的端口：服务器连接端口服务器连接端口是一个已命名的服务器连接请求指是一个已命名的服务器连接请求指向端口，客户可通过与这个端口连接从而连接到服向端口，客户可通过与这个端口连接从而连接到服务器上。务器上。服务器通信端口服务器通信端口是服务器用来与特殊客户进行通信是服务器用来与特殊客