操作系统结构

PDP-11机器的处理器状态寄存器示例计算机操作系统

3中断向量中断/异常向量：一个存放中断/异常处理程序入口地址和程序运行所需处理机状态字的内存单元。硬件按中断号、异常类型的不同通过中断向量表转移。当前先前优先级特征位状态状态PDP-11机器的中断向量示例

TNZVC

15141312870150PCPS两个连续单元计算机操作系统2.2.2中断/异常处理中断/异常处理的一般过程：中断,异常进入；保存现场；分析原因,转中断(异常)处理程序；恢复现场。计算机操作系统中断处理的流程图：保护现场分析中断原因

该级还有中断？有条件地进行低调恢复现场进入中断/异常中断/异常现行程序计算机操作系统PDP-11上的UNIX中断处理详细过程：1.中断,异常进入

硬件自动将当前PC,PS存入暂存寄存器；硬件按中断号从指定的中断向量单元中取出PC,PS内容装入PC,PS寄存器,同时填入PS寄存器的“先前状态”和“当前状态”；将原PC,PS保存到现场保护区栈(一般有用户栈和核心栈两种，此时指保存于核心栈）。完成上述以后分类型作如下处理：中断：转入相应中断处理程序。异常：转入一个入口地址为trap的处理程序，根据不同的异常类型号作不同的处理。计算机操作系统一般的中断/异常处理过程包括三个阶段：保存现场分析原因后转入相应的处理程序恢复现场UNIX专门设置了一个call的总控程序，负责完成这三阶段的工作。计算机操作系统2.保存现场保存的区域:1）分散：每个进程设有一片现场区，中断/异常时，现场信息保存在该现场区。例如UNIX系统2）集中分散：系统设一个现场区，进程具有一个现场区，中断时现场信息保存在系统现场区；异常时，保存在进程现场区。例如VMS操作系统保存形式：“栈”结构（待续）计算机操作系统“栈”结构

“后进先出”思想栈进出栈栈顶栈底进队列出队列队尾队头“队列”结构“先进先出”思想计算机操作系统现场保存/恢复过程示例：低级中断现场区高级中断现场区用户程序低级中断高级中断方向多级中断现场保存计算机操作系统UNIX系统中一个现场区栈帧的形成过程：硬件将PS,PC压栈,且根据中断类型将中断向量表中的PS,PC值送入PS,PC寄存器。中断入口第一条为转总控程序指令,该转移指令将r0压栈且将中断处理程序地址存入r0。

由总控程序将新的nps压栈(有异常号信息)。由总控将r1,r6压栈(r6中为栈指针,此时是上一栈帧顶或用户栈顶)。由总控从nps低5位截取trap号dev进入栈。总控在转相应中断(trap)处理程序时,将返回地址tpc压栈。由各中断(trap)处理程序先将r5,r4,r3,r2压栈,返回总控时恢复r2,r3,r4,r5。计算机操作系统

PS 硬件保存

增

PC

长

r0

方

nps（新ps)

向

r1 r6 总控程序保存

dev(trap号）

tpc

（总控返回地址）

r5 r4 处理程序保存

r3 r2sp

计算机操作系统

3.分析原因，转中断(异常)处理程序总控程序直接根据r0(已存放好中断程序的入口地址)内容转子程序。中断：直接转至其入口地址；异常：还要根据dev保存的当前发生的陷入类型，作相应的处理。计算机操作系统4.恢复现场（总控程序）分两种情况：1）回退到核心态时:

退栈，恢复r0,r1；执行rtt指令，该指令自动将栈帧中的PC,PS值装入PC,PS寄存器。2）回退到用户态时:

转调度程序；退栈，恢复r0,r1；

执行rtt指令。该指令自动将栈帧中的PC,PS值装入PC,PS寄存器。注：UNIX系统是根据nps内容来判断CPU的先前状态。计算机操作系统中断与异常的区别1）定义：中断：来自外部，异常：来自内部。2）屏蔽：中断：能被屏蔽，异常：不能屏蔽。3）响应：中断：中断检测机构检测中断寄存器；异常：执行指令时发生异常。4）处理：中断：保存现场后直接转入到中断入口程序；异常：转入trap处理程序，后跟据异常类型号转入相应的异常处理程序。5）返回：中断：返回用户程序或低优先级中断程序；异常：大部分不返回，系统调用返回访管指令的下一条指令，缺页异常返回发生异常的指令。计算机操作系统2.3操作系统运行模型操作系统核心的主要功能模块如下(UNIX为例)：

系统初始化模块：初始化系统数据区，创建1号进程运行INIT程序，该进程为每个登录用户创建一个tty终端进程，运行命令解释程序,接收用户输入的命令。

进程管理模块：包含进程的系统调用处理（如进程创建/结束,进程通信/同步）和处理机的管理(如进程调度,进程切换)。计算机操作系统存储管理模块：负责内存的管理，如内存管理模块,进程空间分配,进程内外存之间交换。外设管理模块：负责外设驱动和中断处理，包含设备访问接口程序，数据缓冲区管理模块，各种驱动器公共程序，各设备驱动程序，设备中断处理程序等。文件管理模块：处理文件类系统调用，如文件访问接口程序，文件系统目录结构管理程序，文件数据缓冲管理模块，外存管理程序。计算机操作系统操作系统三种运行模型：独立运行的内核:用户程序与核心程序在分离的运行环境中运行,核心程序作为一个独立的特殊执行体运行，有自己独立的运行栈。内核用户进程用户进程用户进程a.独立内核模式...特点：进程只运行用户程序，内核只是一个特殊的系统执行体；系统调用时，要访问用户进程的系统表格；启动外设时，要与用户进程进行连接。内核程序并发运行实现困难。计算机操作系统嵌入用户进程执行模式：操作系统核心程序通过中断/例外机制启动运行，但运行于被打断进程的核心栈上,其并发性较好。操作系统空间地址不与用户进程空间地址重叠,各占一片连续地址空间的高部与低部。本书描述的都是这种模式。

特点:只发生模式转换,没发生进程切换.

b.操作系统嵌入用户进程中运行用户进程用户进程用户进程内核内核内核进程切换…系统程序及数据区用户数据区用户程序区核心栈用户栈区系统空间用户空间计算机操作系统微内核模式：核心程序只包含中断处理,系统调用总控,进程调度等功能,其他功能由用户态运行的系统进程实现,如现代操作系统Mach3.0.

优点:模块化,层次化方面比较好缺点:通信,合作时开销很大,损失系统性能。用户进程用户进程用户进程系统进程系统进程进程切换（微内核）......c.操作系统功能以系统进程运行计算机操作系统2.4系统调用1.自陷指令(trap)自陷指令：一条能产生异常的机器指令，又称访管指令，或陷入指令。PDP-11机器提供一条自陷指令：trap，指令码为104400-104777。完成的工作为：PS内容入栈；PC内容入栈；从中断向量034单元中取内容装入PS；从中断向量036单元中取内容装入PC。计算机操作系统UNIX中trap指令格式：

trap类型号；trap的指令码为104400-104477(八进制)，其中指令码的最后6位表示系统调用的类型号。散转表数据结构：保存与类型号相对应的服务程序入口地址。编号参数个数服务程序入口地址

01do_fork13do_read………计算机操作系统2.系统调用的实现：系统调用库程序一般格式为：

. . .(传给核心参数按约定填入寄存器) trap类型号

.(从约定的寄存器中获得核心返回值）

. return参数传递：约定好的寄存器传递参数计算机操作系统系统调用各模块关系图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Write处理磁盘控制器磁盘中断处理用户态核心态磁盘驱动程序用户程序计算机操作系统3.系统调用实现举例POSIX标准定义的系统调用如下：进程管理:

创建进程pid=fork()

终止进程exit(status)

等待子进程结束pid=wait(pid,…)

替换进程映像s=execve(name,argv,environp)

向pid进程发送一个signal信号

s=kill(pid,signal)文件管理:

创建文件fd=creat(name,…)

打开文件fd=open(name,…)

读文件n=read(fd,buffer,nbyte)

(下页续)计算机操作系统写文件n=write(fd,buffer,nbyte)

移动文件指针pos=seek(fd,offset,…)

关闭文件s=close(fd)获取文件状态：s=stat(filename,&buf)存储管理：动态申请/释放存储空间等；目录管理：建立目录，删除目录等；其他：设置/获得时间等。说明：用户编程时不一定直接调用“系统调用”函数，而是调用更高层的库函数，如win32的API函数。计算机操作系统2.5人机界面2.5.1命令语言它是控制作业流程的用户界面,由命令解释程序解释执行命令。

早期批处理系统：作业控制语言，由JCL解释程序来解释和执行分时系统：交互语言(shell命令，DOS键盘命令)

由命令解释程序来解释和执行，如：shell命令解释程序，explorer命令解释程序。计算机操作系统

UNIX中的实例：

UNIX启动一个解释程序的执行过程如下:

系统启动时，1号进程为每个终端生成一个tty进程,让其运行登录程序；用户输入ID及口令,验证完用户后