操作系统结构与界面

1、第四讲 操作系统结构与用户接口目的与要求:了解典型操作系统结构及使用了解典型操作系统结构及使用操作系统的方法。操作系统的方法。重点与难点：嵌入用户进程执行模式结构；嵌入用户进程执行模式结构；命令解释器及系统调用实现。命令解释器及系统调用实现。作业：8，10，112.3操作系统运行模型操作系统运行模型操作系统核心的主要功能模块如下操作系统核心的主要功能模块如下: :系统初始化模块系统初始化模块：准备系统运行环境，最：准备系统运行环境，最后为每个终端创建一个进程运行命令解释程后为每个终端创建一个进程运行命令解释程序序. .进程管理模块进程管理模块：处理进程类系统调用（如：处理进程类系统调用（如进程

2、创建进程创建/ /结束等）；进程调度结束等）；进程调度. .存储管理模块存储管理模块：配合进程管理分配进程空：配合进程管理分配进程空间；处理存储类系统调用（如动态增加进程间；处理存储类系统调用（如动态增加进程空间）；虚存系统缺页异常时调入页面处理空间）；虚存系统缺页异常时调入页面处理. .文件管理模块文件管理模块. .处理文件类系统调用处理文件类系统调用. .外设管理模块外设管理模块. .负责外设驱动负责外设驱动, ,中断处理中断处理. .用户用户进程进程用户用户进程进程用户用户进程进程内内核核程序程序 b.b.操作系统嵌入用户进程中运行操作系统嵌入用户进程中运行进程切换进程切换实用操作系统运

3、行模型实用操作系统运行模型嵌入用户进程执行模嵌入用户进程执行模式式: :操作系统核心程序通过中断操作系统核心程序通过中断/ /例外机制例外机制启动运行，但运行于被打断进程的核心栈启动运行，但运行于被打断进程的核心栈上上, ,内核程序执行并发性好。本书以后对内核程序执行并发性好。本书以后对操作系统知识的描述都是基于这种模式。操作系统知识的描述都是基于这种模式。2.4系统调用系统调用凡是涉及操作系统核心管理资源的操作必须凡是涉及操作系统核心管理资源的操作必须由系统调用实现由系统调用实现一一. .主要系统调用主要系统调用: :进程管理进程管理: :创建进程创建进程 pid=fork()pid=for

4、k()终止进程终止进程 exit(status)exit(status)等待子进程结束等待子进程结束 pid=waitpid(pid,)pid=waitpid(pid,)替换进程映像替换进程映像 s=execve(name,)s=execve(name,)文件管理文件管理: :创建文件创建文件 fd=creat(name,)fd=creat(name,)打开文件打开文件 fd=open(name,)fd=open(name,)读文件读文件 n=read(fd,buffer,nbyte)n=read(fd,buffer,nbyte)* *写文件写文件 n=write(fd,buffer,nbyt

5、e)n=write(fd,buffer,nbyte)移动文件指针移动文件指针 pos=lseek(fd,offset,)pos=lseek(fd,offset,)关闭文件关闭文件 s=close(fd)s=close(fd)存储管理存储管理: :动态申请动态申请/ /释放存储空间等释放存储空间等其它其它: :设置设置/ /获得时间等获得时间等* *用户编程时不一定直接调用用户编程时不一定直接调用“系统调用系统调用”函函数，而是调用更高层的库函数，如数，而是调用更高层的库函数，如win32的的API函数、函数、 C库函数库函数。二.自陷指令(trap)系统调用是一种特殊形式的转子方法系统调用是一

6、种特殊形式的转子方法, ,他导他导致处理机态的变化致处理机态的变化, ,为了方便编程，一般提为了方便编程，一般提供系统调用库，由其中的子程序来组织系统供系统调用库，由其中的子程序来组织系统调用调用, ,用户程序调系统调用库的子程序。用户程序调系统调用库的子程序。系统调用库程序一般格式：系统调用库程序一般格式：.(传给核心的参数按约定填入寄存器传给核心的参数按约定填入寄存器) )trap.(从约定的寄存器中获得核心返回值）从约定的寄存器中获得核心返回值）.return 系统调用库子程序功能系统调用库子程序功能: :将要传给内核的将要传给内核的参数按与操作系统的约定填入寄存器然后参数按与操作系统的

7、约定填入寄存器然后执行执行trap, traptrap, trap指令后的指令从与操作系指令后的指令从与操作系统约定的寄存器中获得返回值统约定的寄存器中获得返回值, ,设置好返设置好返回状态返回上级程序。回状态返回上级程序。 处理机执行处理机执行traptrap指令会导致控制转到操作指令会导致控制转到操作系统内核的系统内核的traptrap处理程序入口处理程序入口, trap, trap处理处理程序获得参数程序获得参数, ,按系统调用入口表散转按系统调用入口表散转. . 参数传递的一般形式：用寄存器传递参参数传递的一般形式：用寄存器传递参数数. .* *系统调用各模块关系图异步调用接口系统调用

8、接口用户程序系统调用库内核总控系统调用处理总控Write处理磁盘控制器盘中断处理用户态核心态磁盘驱动程序用户程序三.系统调用实现举例系统调用的基本处理过程系统调用的基本处理过程: :系统调用系统调用 write(fd,)write(fd,)是一个库子程序是一个库子程序, ,该子程序用汇编语言写该子程序用汇编语言写, ,其中包含其中包含traptrap指令指令. .处理机运行到处理机运行到traptrap指令指令, ,保护现场保护现场, ,转入内转入内核总控核总控总控进一步保护现场总控进一步保护现场, ,根据例外类型转系统根据例外类型转系统调用处理程序调用处理程序( (转下页转下页) )* *(

9、 (续上页续上页) )系统调用处理程序根据系统调用号查系统系统调用处理程序根据系统调用号查系统调用入口表调用入口表, ,得知该系统调用参数个数及处得知该系统调用参数个数及处理程序入口地址理程序入口地址, ,获得参数并转相应获得参数并转相应writewrite处处理程序理程序writewrite处理程序将数据从用户缓冲区考入内处理程序将数据从用户缓冲区考入内核的系统缓冲区核的系统缓冲区,调磁盘驱动程序的启动调磁盘驱动程序的启动I/OI/O函数函数, ,驱动程序生成一个磁盘请求包驱动程序生成一个磁盘请求包, ,启启动磁盘传输动磁盘传输( (或排入磁盘请求队列或排入磁盘请求队列),),等待传等待传输

10、完成输完成( (保护现场保护现场, ,这时可重新调度进程这时可重新调度进程,CPU,CPU切换到另一个进程切换到另一个进程)( (转下页转下页) )* *磁盘磁盘I/OI/O完成完成, ,产生一个磁盘中断产生一个磁盘中断, ,（这时正这时正运行进程程序被中断打断运行进程程序被中断打断）启动磁盘中断处）启动磁盘中断处理程序理程序, ,磁盘中断处理程序清中断位磁盘中断处理程序清中断位, ,再从磁再从磁盘请求队列中取下一请求盘请求队列中取下一请求, ,启动磁盘传输启动磁盘传输. .然然后找到刚完成请求的请求包后找到刚完成请求的请求包, ,标志成完成状标志成完成状态，态，( (这时先前进程从阻塞变成就

11、绪这时先前进程从阻塞变成就绪, ,可被调可被调度占用处理机度占用处理机) )恢复相应栈中的现场恢复相应栈中的现场, ,转转writewrite系统调用的后续处理程序系统调用的后续处理程序.writewrite处理程序处理结束后返回处理程序处理结束后返回, ,系统调用系统调用处理总控程序将此次服务结果存入约定好的处理总控程序将此次服务结果存入约定好的寄存器寄存器( (或现场区或现场区) )返回内核总控（返回内核总控（这时会进行处理机调度这时会进行处理机调度）, ,恢复现场恢复现场, ,用户程序继续运行用户程序继续运行. .* *异步调用接口系统调用接口用户程序系统调用库内核总控系统调用处理总控W

12、rite处理磁盘控制器盘中断处理用户态核心态磁盘驱动程序用户程序2.5命令语言与窗口用户界面命令语言与窗口用户界面2.5.1命令语言 (通讯语言/作业控制语言)它是控制作业流程的用户界面它是控制作业流程的用户界面, ,由语言解由语言解释器解释执行命令。释器解释执行命令。LinuxLinux启动一个解释器执行的过程启动一个解释器执行的过程: :系统启动时系统启动时1 1号进程为每个终端生成一号进程为每个终端生成一个个ttytty进程进程, ,让其运行登录程序让其运行登录程序用户输入用户输入IDID及口令及口令, ,验证完用户后验证完用户后, ,转转去执行去执行shellshell命令解释器命令解

13、释器由解释器处理用户输入命令由解释器处理用户输入命令* *ShellShell解释器流程解释器流程：（：（功能功能: :解释执行解释执行shellshell命令）命令）通过发通过发“从终端读从终端读”系统调用接收输入系统调用接收输入直接处理一些控制语句直接处理一些控制语句, ,简单命令简单命令对不识别的命令关键字对不识别的命令关键字, ,到到PATHPATH环境变量环境变量所指目录中找到执行代码文件所指目录中找到执行代码文件, ,产生子进产生子进程去运行该程序程去运行该程序. .等子进程结束后取下一输入命令等子进程结束后取下一输入命令* *. . 实用程序；服务程序；用户程序都是可以实用程序；

14、服务程序；用户程序都是可以通过拍入对应的终端命令而运行的。当用通过拍入对应的终端命令而运行的。当用户拍入命令关键字，命令解析程序不认识户拍入命令关键字，命令解析程序不认识时，命令解析程序去寻找与命令关键字同时，命令解析程序去寻找与命令关键字同名的文件执行。名的文件执行。系统主要的实用程序有：系统主要的实用程序有： 编辑器。供用户建立和修改文本文件。它编辑器。供用户建立和修改文本文件。它会提供一组内部编辑命令。会提供一组内部编辑命令。 编译器和装配器。实现编译源程序、链接编译器和装配器。实现编译源程序、链接模块、装配目标程序等功能。模块、装配目标程序等功能。 文件及文件系统相关的实用程序。文件的文件及文件系统相关的实用程序。文件的拷贝，打印，文件系统装卸等实用程序。拷贝，打印，文件系统装卸等实用程序。 显示系统进程，资源状态的实用程序。显示系统进程，资源状态的实用程序。 用户管理。如用户加入删除，口令修改。用户管理。如用户加入删除，口令修改。 用户命令与系统调用的关系用户命令与系统调用的关系 用户命令对应的实用程序用户命令对应的实用程序( (包括命令解释包括命令解释器本身器本身) )在用户态运行在用户态运行, ,而系统调用处理程而系统调用处理程序在核心态运行序在核心态运行. . 实