第2章 操作系统的结构和硬件支持

1、第2章 OS的结构与硬件支持一、什么是OS虚拟机计算机系统必须提供一个良好的工作环境帮助用户快且方便的解决各类问题：硬件层：裸机，由CPU、存储器和外部设备构成，是OS与用户进程赖以活动的物质基础和环境；配置在裸机上的第一层软件是OS；在裸机上配置了OS后就构成了OS虚拟机；OS虚拟机结构图：裸机OS扩充后的机器应用程序用户程序2.1 OS虚拟机（1/2）二、什么是操作命令语言扩充后的虚拟机不仅可以使用原来裸机提供的各种基本硬件指令，并且可以使用OS中增加的许多其它的“指令”，这些指令统称为扩充机器的指令系统，又称为操作命令语言。系统所提供的全部操作命令的集合即为操作命令语言。它是用户和系统进

2、行通信的手段和界面，即OS提供的用户界面，有两种形式：操作命令键盘命令作业控制语言图形化用户界面系统功能调用2.1 OS虚拟机（2/2）一、OS的组织结构主要研究的问题OS由处理机管理、存储管理、输入/输出管理、文件管理等功能模块组成；如何将这些模块构成一个完整的系统，这些模块之间如何调用，这些模块如何对外提供接口，这些即为OS的结构问题；OS的组织结构主要包括三方面的内容：模块结构：组成系统的不同功能如何分组和交互；接口：OS提供给用户、用户程序或上层软件使用系统的手段；运行时的组织结构：执行过程中存在的实体类型及调用方式。2.2 OS的组织结构（1/7）二、OS的组织结构OS由内核（核心层

3、）和其它一些功能层组成，核心层包括OS最重要的功能模块，包括处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理。通常所说的OS其实指的是OS的内核。常见的OS的组织结构有如下四种，一个OS在具体实现时不会十分清晰的采用某一种方式，但主体上会采用这四种方式之一：单体结构；模块结构；可扩展内核结构；层次结构。 P352.2 OS的组织结构（2/7）二、OS的组织结构单体结构OS是一组过程的集合，每一个过程都有一个定义好的接口，包括入口参数和返回值；过程之间可以相互调用不受约束；也叫做无结构；许多OS采用；简单，运行效率高，性能高；难以理解，难以维护，难以验证其正确性；大多数的 UNIX及Linux内核都采用

4、单体结构；2.2 OS的组织结构（3/7）模块结构 采用面向对象的思想和语言设计、建立OS，其功能通过逻辑独立的模块来划分；有利于OS的理解与维护；存在潜在的性能退化；存在一个实验性OS，Choices；没有商业化OS采用；可扩展内核结构将OS的核心分为基础核心和其它核心功能两部分；基础核心又称为微内核，可扩展内核；微内核结构基于客户/服务器模式，由微内核和核外的服务器进程组成。Linux之前的Minix即采用微内核结构，内核只负责处理进程间通信和设备驱动等底层功能，而将存储管理和文件系统从内核分离出去，称为单独的进程运行，实现了内核最小化；2.2 OS的组织结构（4/7）层次结构 OS由若干

5、层构成，每一层提供一套功能，该功能仅依赖于该层以内的各层；作为一种指导性原则，在设计OS时借鉴和参考。裸机存储管理I/O管理文件管理资源分配和调度初级中断处理进程控制进程通信处理机分派2.2 OS的组织结构（5/7）三、运行时的组织结构系统功能调用方式OS内核服务例程用户进程库或内核调用返回2.2 OS的组织结构（6/7）三、运行时的组织结构客户/服务器方式用户进程 客户端OS内核服务例程发送请求返回结果2.2 OS的组织结构（7/7）支持OS运行的硬件之一CPU一般的处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成；处理器一般包括两类寄存器：通用寄存器(保存操作数及运算结果)及状态寄存

6、器（如PC、IR、PSW）；指令执行的基本过程：特权指令和非特权指令特权指令：在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令；非特权指令：允许一般的用户使用的指令；2.3 处理机的特权级（1/3）支持OS运行的硬件之一CPU特权指令的功能改变机器状态修改特殊寄存器控制外部设备的输入/输出处理机的状态管态（特权态、特态、系统态）：指操作系统管理程序运行时机器所处的状态。可以执行全部指令，使用所有资源，具有改变处理机状态的能力，允许访问整个存储区。用户态（普通态、普态、目态）：指用户程序运行时机器所处的状态。只能执行非特权指令，不能直接取用资源与改变机器状态，只允许用户访问自己的存储区。 有些系统分为核

7、态、管态和用户态。2.3 处理机的特权级（2/3）支持OS运行的硬件之一CPU程序状态字PSW用来指示处理器状态，通常包括以下状态代码：CPU的工作状态代码 条件码 中断屏蔽码处理机状态的改变：由用户态转向管态用户进程访问OS，要求OS的某种服务；发生一次中断；在一个用户进程中产生一个错误状态；在用户态下企图执行一条特权指令；15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0TSI2I1I0XNZVC进位溢出零负中断屏蔽位cpu状态陷阱中断2.3 处理机的特权级（3/3）一、中断的相关概念某个事件（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

8、运行，引出处理该事件的程序进行处理，处理完毕后返回断点，继续执行的全过程称为中断；中断的意义：是实现操作系统功能的基础,是构成多道程序运行环境的根本措施。为了实现并发活动，为了实现计算机系统的自动化工作，系统必须具备处理中断的能力。2.4 中断及其处理（1/7）中断返回用户程序中断进入继续执行中断信号中断处理程序一、中断的相关概念引起中断的那些事件称为中断事件或中断源；中断源向处理器发出的请求信号称为中断请求；把处理中断事件的那段程序称为中断处理程序；发生中断时正在执行的程序的暂停点叫做中断断点；处理器暂停当前程序转而处理中断的过程称为中断响应；中断处理结束之后恢复原来程序的执行称为中断返回；

9、一个计算机系统提供的中断源的有序集合称为中断字。2.4 中断及其处理（2/7）二、中断的类型按中断功能分类输入输出中断外中断机器故障中断程序性中断访管中断按中断方式分类强迫性中断自愿中断按中断来源分类中断俘获 2.4 中断及其处理（3/7）三、向量中断和探询中断当中断发生时，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。中断向量：存储该类型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；系统中所有中断类型的中断向量放在一起，形成中断向量表。主存中有特定区域用来存放中断向量表。探询中断：另一种中断机制。中断类型中断向量PC及PS值终端输入060062终端输入处理程序入口

10、地址0200(八进制数)2.4 中断及其处理（4/7）三、中断进入中断装置（中断系统）：发现中断源而产生中断过程的设备。中断系统的职能是实现中断的进入，即实现中断响应的过程。现场信息：在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息，最重要的是后继指令所在主存的单元号，程序运行时的机器状态。现场保护：中断发生时必须立即将现场信息保存到主存中，这一过程；恢复现场：为了确保被中断的程序从恢复点继续运行，必须在该程序重新运行之前，把保留的该程序的现场信息从主存送至相应的寄存器，这一过程。2.4 中断及其处理（5/7）三、中断进入中断响应：当CPU发现已有中断请求时，中止现行程序的运行，并自动引出中断处理程序的过程。中断响应的实质是交换指令执行地址和处理器状态：将程序状态字寄存器的内容存放道主存约定单元，将处理中断程序的指令执行地址和处理器状态送入相应的寄存器中。中断响应全过程举例：当某一设备完成I/O操作时发出中断请求信号，则中断响应全过程如下：1、当优先级满足时，处理机中断现行程序的运行；2、设备向处理器发出中断命令和中断向量地址； 3、当前处理器状态字(PS)寄存器和指令计数器(PC)的内容自动进 入系统堆栈； 4、从中断向量地址中得到新的PC,PS内容分别