第二章操作系統(tǒng)的邏輯結構

1、第二章 操作系統(tǒng)的邏輯結構,（一） 操作系統(tǒng)虛擬機（二） 操作系統(tǒng)邏輯結構（三） 處理機的狀態(tài)（四） 中斷技術,（一）操作系統(tǒng)虛擬機,為提高計算機系統(tǒng)資源的使用效率和方便用戶,在計算機系統(tǒng)中必須配備操作系統(tǒng).操作系統(tǒng)是一個大型的軟件，規(guī)模龐大、結構復雜。操作系統(tǒng)必須是一個清晰、正確的邏輯結構。,什么是操作系統(tǒng)虛擬機,在裸機上配置了操作系統(tǒng)程序后就構成了操作系統(tǒng)虛擬機。 操作系統(tǒng)的核心在裸機上運行

2、 用戶程序在擴充后的機器上運行,操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng),裸機的指令系統(tǒng)是什么？機器指令操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng)？,操作系統(tǒng)虛擬機的指令系統(tǒng)，又稱為操作命令語言。虛擬機的功能是通過它提供的命令體現(xiàn)的。,（1）操作命令（又稱命令接口）作業(yè)控制語言、鍵盤命令、圖形化用戶界面（2）系統(tǒng)功能調用（又稱程序接口）,（二） 操作系統(tǒng)邏輯結構,,CC、Shell、用戶程序,裸機,UNIX系統(tǒng)體系結構,Unix系統(tǒng)組成：

3、硬件（裸機） 核心層 實用層 其他應用程序,UNIX系統(tǒng)核心結構,1. 進程控制子系統(tǒng)進程同步、進程間通信、進程調度和存儲管理2.文件子系統(tǒng)文件存儲空間管理、文件操作及存取控制、高速緩沖機制,Windows操作系統(tǒng)的結構,（三） 處理機的狀態(tài),1. 設置處理機狀態(tài)的目的為操作系統(tǒng)建立一個保護環(huán)境，采用的方法是區(qū)分處理機的工作狀態(tài)。系統(tǒng)中有兩類程序： 管理程序 用戶程序

4、管理系統(tǒng)資源 使用資源、提出申請控制程序運行 被控制2. 什么是處理機的態(tài)中央處理機的工作狀態(tài)，當前它正在執(zhí)行哪類程序，決定處理機的態(tài)。,3. 處理機態(tài)的類別（1）核態(tài)（Kernel mode）操作系統(tǒng)的管理程序執(zhí)行時機器所處的狀態(tài)。使用全部指令（包括一組特權指令）使用全部系統(tǒng)資源（包括整個存儲區(qū)域）（2）管態(tài)（Supervisor mode）管態(tài)比核態(tài)的權限低，在此狀態(tài)下允許使用

5、一些用戶態(tài)下不能使用的資源，但不能使用修改CPU狀態(tài)的指令。無核態(tài)時,管態(tài)執(zhí)行核態(tài)的全部功能。,（3）用戶態(tài)（User mode）用戶程序執(zhí)行時機器所處的狀態(tài)。在此狀態(tài)下禁止使用特權指令，不能直接取用資源與改機器狀態(tài)，并且只允許用戶程序訪問自己的存儲區(qū)域。,管態(tài)用戶態(tài) 操作系統(tǒng)的程序執(zhí)行 用戶程序執(zhí)行 使用全部指令 禁止使用特權指令（包括一組特權指令）

6、 使用全部系統(tǒng)資源 只允許用戶程序訪問（包括整個存儲區(qū)域） 自己的存儲區(qū)域,處理機的狀態(tài)不斷變化，它有時會處于用戶態(tài)，有時會處于管態(tài)。,UNIX系統(tǒng)處理機狀態(tài)轉換,4. 特權指令集,在核態(tài)下操作系統(tǒng)可以使用所有指令，包括一組特權指令。 ? 改變機器狀態(tài)的指令 ? 修改特殊寄存器的指令 ? 涉及外部設備的輸入/輸出指令允許和禁止中斷；在進程之間切

7、換處理機；存取用于內存保護的寄存器；執(zhí)行輸入和輸出操作；停止一個中央處理機的工作。,實例操作系統(tǒng)如何區(qū)分處理機的狀態(tài),DOS系統(tǒng)不分態(tài)Windows系統(tǒng)現(xiàn)分為兩態(tài)——用戶態(tài)、系統(tǒng)態(tài)Unix（Linux）系統(tǒng)分為三態(tài)：核態(tài)、管態(tài)、用戶態(tài)如何實現(xiàn)？,由用戶態(tài)轉向核態(tài)用戶程序請求操作系統(tǒng)的服務發(fā)生中斷用戶程序中產生了一個錯誤的狀態(tài)在用戶程序中執(zhí)行一條特權指令從核態(tài)轉回用戶態(tài)用一條指令實現(xiàn)，中斷返回指令。,存儲器

8、,主存儲器（主存、內存）： 處理機能直接訪問的存儲器稱為主存儲器，用來存放正在或將要執(zhí)行的系統(tǒng)和用戶程序和數據以及程序執(zhí)行時要求的臨時存儲空間。只讀存儲器ROM(Read-only memory)： ROM稱為BIOS，用來存放基本的I/O程序。隨機訪問存儲器 RAM（random access memory)輔存儲器（輔存、外存）： 處理機不能直接訪問的存儲器，如磁盤、磁帶、光盤等，用來存放大量的數據信息。,必

9、要的硬件支持,時鐘,時鐘是操作系統(tǒng)運行時必不可少的硬設施，它以固定的時間間隔產生中斷信號，這對于實施進程調度、計算系統(tǒng)資源的消耗、實時控制等功能是必不可少的。在操作系統(tǒng)中需時鐘支持的工作有：處理機調度；實時控制；提供用戶和系統(tǒng)所需的絕對時間（日歷時鐘、墻鐘）。,（四） 中斷技術,一. 中斷概念所謂中斷是指某個事件（例如鍵盤輸入、定點加法溢出或I/O傳輸結束等）發(fā)生時，系統(tǒng)中止現(xiàn)行程序的運行、引出處理事件程序對該事件進行處理

10、，處理完畢后返回斷點，繼續(xù)執(zhí)行。,中斷源：引起中斷的事件稱中斷源，如打印完成中斷，其中斷源是打印機。斷點：發(fā)生中斷時正在運行的程序被暫時停止，程序的暫停點稱為斷點。中斷響應：是處理機發(fā)現(xiàn)有中斷請求時，中止現(xiàn)運行程序的執(zhí)行并自動引出中斷處理程序的過程。中斷由軟硬件協(xié)同處理中斷裝置：指發(fā)現(xiàn)中斷，響應中斷的硬件中斷處理程序：對中斷事件進行處理的程序，由軟件來完成,二. 中斷類型 按中斷功能分類（1）輸入輸出中斷：

11、 外部設備或通道操作正常結束或錯誤時所發(fā)生的中斷。 如I/O傳輸結束或出錯中斷。（2）外中斷： 外部非通道式裝置所引起的中斷。 時鐘中斷、操作員控制臺中斷、通信中斷等。（3）機器故障中斷： 機器發(fā)生故障時的中斷。 電源故障、主存取指令錯、長線傳輸的奇偶校驗錯等。（4）程序性中斷： 程序性質的錯誤或某些特定狀態(tài)而產生的中斷。 浮點溢出、用戶態(tài)下用核態(tài)指令、越界、

12、非法操作等。（5）訪管中斷： 對操作系統(tǒng)提出某種需求時發(fā)出的中斷稱為訪管中斷。,外部中斷和內部中斷來自處理機外部的事件，稱為外部中斷，如I/O中斷、外中斷。來自處理機的中斷，稱為內部中斷，如硬件故障中斷、程序性中斷、訪管中斷。這類中斷有時稱俘獲（也有稱陷入、陷阱、自陷、捕俘等，它的英文名稱為 trap，來自早期的UNIX系統(tǒng)） 強迫性中斷 和 自愿性中斷不是正在運行的程序所期待的，而是由某種事故或外部請求信號所引

13、起的 運行程序所期待的事件，由于執(zhí)行訪管指令而引起的,中斷的分類：,三. 中斷進入對中斷請求的整個處理過程稱為中斷處理，它是由軟、硬件結合形成的一套中斷機構實施的。,1. 保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場（1）現(xiàn)場是指在中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)運行的有關信息。主要包括——后繼指令所在主存的單元號程序運行所處的狀態(tài)指令執(zhí)行情況以及程序執(zhí)行的中間結果等,（2）保護現(xiàn)場當中斷發(fā)生時，必須立即把現(xiàn)場信息保存在主存中，這一工作稱之

14、為保護現(xiàn)場。（3）恢復現(xiàn)場程序重新運行之前，把保留的該程序現(xiàn)場信息從主存中送至相應的指令計數器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。完成這些工作稱為恢復現(xiàn)場。,2. 程序狀態(tài)字（psw）（1）什么是程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字是反映程序執(zhí)行時機器所處的現(xiàn)行狀態(tài)的代碼。主要內容包括——程序現(xiàn)在應該執(zhí)行哪條指令當前指令執(zhí)行情況機器處于何種程序狀態(tài)程序在執(zhí)行時應該屏蔽哪些中斷尋址方法、編址、保護鍵響應中斷的內容,（2）程序

15、狀態(tài)字的例子IBM370機程序狀態(tài)字內容 ? PSW寄存器IBM PC機程序狀態(tài)字內容 ? CS IP 指令地址 flag 標志寄存器PDP 11系列機程序狀態(tài)字內容 ? PC 指令計數器 PS 處理器狀態(tài)寄存器,3. 什么是中斷響應（1）什么是中斷響應,（1）什么是中斷響應中斷響應是當中央處理機發(fā)現(xiàn)已有中斷請求時，中止現(xiàn)行程序執(zhí)行，并自動引出中斷處理程序的過程。中斷響應過程：保留程序斷點及

16、處理機有關信息自動轉入相應的中斷處理程序（2）中斷響應的實質交換指令地址及處理機的狀態(tài)信息,（3）中斷響應過程（硬件完成）,,,PC,PS,,,,,PS進棧,PC進棧,堆 棧,,中斷處理程序的PC,中斷處理程序的PS,,,內 存,,,,,1,2,3,4,,棧頂指針,四. 軟件的中斷處理過程當硬件完成了中斷進入后，轉到中斷處理程序，進入軟件中斷處理過程。這個過程主要有如下三項工作：（1）保護現(xiàn)場和傳遞參數；（2

17、）執(zhí)行相應的中斷（或自陷）處理程序；（3）恢復和退出。,注: 在中斷進入時由硬件保護了被中斷程序的PC和PS， 在中斷處理中保護各寄存器的值和其它狀態(tài)信息。,中斷處理（軟件完成）,保存被中斷程序現(xiàn)場,兩種中斷機構,,CPU,,,,,,,,,磁盤,打印機,磁帶,鍵盤,1.向量中斷機構,2.探詢中斷機構,,五. 向量中斷1. 什么是向量中斷當中斷發(fā)生時，由中斷源自己引導處理機進入中斷服務程序的中斷過程稱為向量

18、中斷。2. 中斷向量中斷向量是存儲某類型中斷的中斷服務例行程序的入口地址和處理機狀態(tài)字的存儲單元。3. 中斷向量表主存中用于存放中斷向量服務地址的一組存儲單元組成的表。,六.中斷返回,中斷返回是指執(zhí)行一條中斷返回指令(RTI)。,第二章 小 結,1. 操作系統(tǒng)虛擬機概念。2. 處理機的態(tài)，（核態(tài)）、管態(tài)、用戶態(tài)，相互的區(qū)別。3. 中斷概念：定義、類型。4. 中斷響應的定義、實質。5. 中斷處理的過程。6. 向量