操作系统原理PPT电子课件教案-第二章 操作系统的逻辑结构.ppt

第二章 操作系统的逻辑结构,(一) 操作系统虚拟机 (二) 操作系统逻辑结构 (三) 基本硬件结构 (四) 中断技术,2,(一) 操作系统虚拟机,1. 什么是操作系统虚拟机 在裸机上配置了操作系统程序后就构了操作系统虚拟机 在操作系统上再配置各种应用程序就构成了更高层次的虚拟机 操作系统的核心在裸机上运行 用户程序在扩充后的机器上运行,3,4,2. 操作系统虚拟机的指令系统,操作系统虚拟机的指令系统，又称为操作命令语言。包括： (1) 操作命令(又称命令接口) 作业控制语言 键盘命令 图形化用户界面 (2) 系统功能调用(又称程序接口) 操作系统虚拟机的功能通过它提供的命令来体现。,5,操作系统设计呈现出以下特征： 一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 ctss：32000行 os/360：百万条指令，4000模块，5000人年 multics ：千万条指令 windows 2000 ：3200万行，2500人参与,(二) 操作系统逻辑结构,6,操作系统结构设计有两层含义 一.是研究操作系统程序的数据结构和控制结构； 二.是组成操作系统程序的构造过程和方法。采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。,7,操作系统的结构 无结构（整体式结构） 层次式结构 客户/服务器结构,8,整体式结构,操作系统的整体式结构又叫模块组合法，早期操作系统(如ibm操作系统)采用这种结构设计方法。这种类型的操作系统由多个模块构成，各模块可相互调用。,9,unix核心结构,用户态,核心态,10,层次式结构,层次式结构是把操作系统划分为内核和若干模块（或进程），这些模块（或进程）按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系，这样不但系统结构清晰，而且不构成循环。,11,分层操作系统结构,12,层次式结构（续）,层次结构的优点：整体问题局部化，系统的正确性可通过各层正确性来保证。增加、修改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的维护和扩充。 层次结构是分层单向依赖的，必须要建立模块（进程）间的通信机制，系统花费在通信上的开销较大，系统的效率也就会降低。,13,客户/服务器结构,客户/服务器结构的思想是将操作系统分成两大部分： 一部分是运行在用户态并以c/s方式活动的进程； 另一部分是运行在核心态的内核。,14,客户/服务器结构（续）,每个进程实现一类服务，称服务器进程(如文件服务、进程管理服务、存储管理服务、网络通信服务等)。它的任务是检查是否有客户提出服务请求，如果有请求则在满足客户的要求后返回结果，于是，用户进程与服务器进程形成了c/s关系。,15,客户/服务器结构（续）,运行在核心态的内核把该消息传给服务器；服务器执行相应操作，再通过内核用消息把结果返回给用户。内核只实现极少任务，主要起信息验证、交换的作用，因而，称微内核(microkernel)，这种结构也就称为客户/服务器与微内核结构。,16,客户/服务器结构（续）,微内核结构的优点有： 1）一致性接口 2）可扩充性 3）可移植性 4）可靠性 5）支持分布式系统 6）支持面向对象的操作系统,17,windows 2000/xp系统结构的设计目标： 1）可扩充性： 2）可移植性： 3）可靠性与坚固性： 4）兼容性： 5）高性能：,windows 2000/ xp客户/服务器结构,18,采用基于对象技术，提出了一种c/s系统结构，该结构在纯微内核结构的基础上做了扩展，融合了层次式结构和纯微内核结构的特点。 对操作系统性能影响很大的组件放在内核下运行，其他功能则在内核外实现。 主要优点是模块化程度高、灵活性大、便于维护、系统性能好。,19,windows2000/xp客户/服务器 结构简框,20,windows2000/ xp客户/服务器结构,21,(三) 基本硬件结构,一、中央处理器 二、存储器 三、时钟,22,计算机系统的核心是中央处理器 单处理器系统：一个计算机系统只包括一个运算处理器。 多处理器系统：一个计算机系统有多个运算处理器。,一、中央处理器,23,特权指令集 计算机的基本功能是执行程序，最终被执行的程序是存储在内存中的机器指令程序。 处理器根据程序计数器(pc)从内存中取指令到指令寄存器并执行它，pc将自动增长或改变为转移地址指明下条执行的指令。,24,1. 特权指令集（续） 机器指令的集合称指令系统，反映了一台机器的功能和处理能力。指令分为以下五类： (1)数据处理类指令； (2)转移类指令； (3)数据传送类指令； (4)移位与字符串指令； (5)i/o类指令。,25,从资源管理和控制程序执行的角度出发，必须把指令系统中的指令分作两部分：特权指令和非特权指令。 特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令。,1. 特权指令集（续）,26,1. 特权指令集（续）,特权指令包括： 改变机器状态的指令 允许/禁止中断 修改特殊寄存器的指令 涉及外部设备的输入/输出指令 任务上下文切换 停止cpu工作,27,一、中央处理器（续）,2. 为什么要区分处理机的状态 系统中有两类程序： 操作系统核心程序 用户程序 管理系统资源 使用资源，提出申请 控制程序运行 被控制 可以用特权指令 不能使用特权指令 中央处理器怎么知道当前是操作系统还是一般用户程序在运行呢? 采用的办法就是区分处理机的工作状态。,28,一、中央处理机（续）,3. 什么是处理机状态 中央处理器的工作状态，当前它正在执行哪类程序，决定处理机的态。 4. 处理机的态的类别 核态/管态 用户态/目态,29,核态/管态,核态(kernel mode)/管态 (supervisor mode) 指操作系统的管理程序执行时机器所处的状态。使用全部指令(包括一组特权指令)；使用全部系统资源(包括整个存储区域)。 有的系统中设置管态(访问用户资源，不能修改机器状态)。,30,用户态/目态,用户态(user mode)/目态(object mode)指用户程序执行时机器所处的状态。在此状态下禁止使用特权指令，不能直接取用资源与修改机器状态，并且只允许用户程序访问自己的存储区域。,31,核心态与用户态的区别,32,计算机如何知道当前处于何种工作状态？这时能否执行特权指令？通常操作系统都引入程序状态字psw（program status word）来区别不同的处理器工作状态。,33,ibm360/370系列计算机 程序状态字的基本格式,34,5. 处理机状态的切换,用户态转到核态 用户程序访问系统资源 中断 系统异常 核态转到用户态 执行用户程序,35,6. 实例操作系统的分态,dos系统 不分态 windows系统 现分为两态0环（系统态）和3环（用户态），还有1、2环预留 unix系统（linux）系统 分为三态00（核态），01（管态），11（用户态）,36,二、存储器,主存储器（主存、内存） cpu能直接访问的存储器称为主存储器，用来存放正在或将要执行的系统和用户程序和数据以及程序执行时要求的临时存储空间。 辅存储器（辅存、外存） cpu不能直接访问的存储器称为辅存储器，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放大量的数据信息。,37,二、存储器（续）,主存储器的类型 随机访问存储器 ram(random access memory) 只读存储器rom(read-only memory) 多级存储体系 cache+ram+vm 存储保护 多个进程共享主存时必须保持各自的完整性，只能访问分配给自己的主存空间。,38,三、时钟,时钟是操作系统运行时必不可少的硬设施，它以固定的时间间隔产生中断信号。 在操作系统中需时钟支持的工作有：分时系统调度、实时控制等。 绝对时钟：提供用户和系统所需的绝对时间（日历时钟、墙钟）。 间隔时钟：也称相对时钟，提供定时控制。,39,(四) 中断技术,一、中断概念 所谓中断是指某个事件 (例如电源掉电、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运行、引出处理事件程序对该事件进行处理，处理完毕后返回断点，继续执行。,40,二、中断类型,1. 按中断功能分类 (1) 输入输出中断：i/o传输结束或出错中断。 (2) 外中断：时钟中断、操作员控制台中断、通信中断等。 (3) 机器故障中断：电源故障、主存取指令错、长线传输时的奇偶校验错等。 (4) 程序性中断：定点溢出、用户态下用核态指令、越界、非法操作等。 (5) 访管中断：对操作系统提出某种需求时所发出的中断称为访管中断。,41,二、中断类型（续）,2. 按中断方式分类 (1) 强迫性中断：这类中断事件不是正在运行的程序所期待的，而是由某种事故或外部请求信号所引起的。如：输入输出中断、外中断、机器故障中断、程序性中断。 (2) 自愿中断：它是运行程序所期待的事件，这种事件是由于执行了条访管指令而引起的。如：访管中断。,42,二、中断类型（续）,3. 按中断来源分类 (1) 中断：由处理机外部事件引起的中断称为外中断，简称中断。包括输入输出中断、外中断。 (2) 俘获：由处理机内部事件引起的中断称为内中断，又称为俘获。包括访管中断、程序性中断、机器故障中断。,43,44,发现中断源并产生中断的硬件称中断装置。 所有计算机系统都采用硬件和软件结合的方法实现中断处理。,三、中断进入,45,1. 保护现场和恢复现场 (1) 现场 指在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息。主要包括： 后继指令所在主存的单元号 程序运行所处的状态 指令执行情况 以及程序执行的中间结果等,46,1. 保护现场和恢复现场（续）,(2) 保护现场 当中断发生时，必须立即把现场信息保存在主存中，这一工作称之为保护现场。 (3) 恢复现场 程序重新运行之前，把保留的该程序现场信息从主存中送至相应的指令计数器、通用寄存器或一些特殊的寄存器中。完成这些工作称为恢复现场。,47,2. 程序状态字,(1) 什么是程序状态字 程序状态字是反映程序执行时机器所处的现行状态的代码。主要内容包括： 程序现在应该执行哪条指令 当前指令执行情况 机器处于何种程序状态 程序在执行时应该屏蔽哪些中断 寻址方法、编址、保护键 响应中断的内容,48,2. 程序状态字（续）,(2) 程序状态字的例子 ibm 370 机 程序状态字内容 psw寄存器 ibm pc 机 程序状态字内容 cs ip 指令地址 flag 标志寄存器 pdp 11系列机 程序状态字内容 pc 指令计数器 ps 处理器状态寄存器,49,3. 中断响应,(1) 什么是中断响应 中断响应是当中央处理机发现有中断请求时，中止现行程序执行，并自动引出中断处理程序的过程。中断响应的过程包括： 保留程序断点及处理机有关信息 自动转入相应的中断处理程序执行 (2) 中断响应的实质 交换指令地址及处理机的状态信息,50,3. 中断响应,(3) 中断响应过程图示,51,四、软件的中断处理过程,当硬件完成了中断进入过程后，由相应的中断处理程序得到控制权，进入了软件的中断处理过程。,52,五、向量中断,1. 什么是向量中断 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。 2. 中断向量 中断向量是存储某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。 3.中断向量表 主存中用于存放中断向量服务地址的一组存储单元组成的表。,53,pdp 11 中断向量地址及中断向量单元 中断类型 中断向量地址 pc及ps值 终端输入 060 终端输入处理程序入口地址 062 0200 终端输出 064 终端输出处理程序入口地 066 0200 纸带输入 070 纸带输入处理程序入口地址 072 0200 纸带输入 074 纸带输出处理程序入口地址 076 0200 电源时钟 100 电源时钟处理程序入口地址 102 0300 程序时钟 104 程序时钟处理程序入口地址 106 0300 行式打印机 200 行式打印机处理程序入口地址 202 0200 rk磁盘 220 rk磁盘处理程序入口地址 222 0240,54,ibmpc将所有256个中断类型中的中断向量放在一张表上称为中断向量表，它在内存区中占有最低阶1k字节(地址00000h003ffh)。,ip,ip,ip,00000,00001,00002,00003,00004,00005,00006,00007,003fc,003fd,003fe,003ff,cs,cs,cs,55,五、向量中断（续）,4. 向量中断处理过程 当发生某一中断事件时，根据该类中断的中断向量直接进入处理该事件的中断处理程序。,56,linux中断处理子系统使用数据结构irqaction含有处理一种中断所需的各种信息： struct irqaction void (*handler)(int,void*,struct pt-regs *); unsigned long flags; unsigned long mask; const char *name; void *dev-id; struct irqaction *next; ;,六、linux中断处理过程,57,快中断与慢中断(1),在linux中，可以区分快中断和慢中断两类中断事件， 前者用于时间短、简单的中断处理任务；而后者处理常见的中断，需时较长且处理复杂。,58,快中断与慢中断(2),(1)处理慢中断前需保存所有寄存器的内容，而快中断处理仅要保存被常规c函数修改的寄存器； (2)慢中断处理时，不屏蔽其他中断信号，而快中断处理时会屏蔽所有其他中断；,59,快中断与慢中断(3),(3)慢中断处理完毕后，通常不立即返回被中断的进程，而是进入调度程序重新调度，调度结果未必是被中断的进程运行(是抢先式调度)。而快中断处理完毕后，通常恢复现场返回被中断的进程继续执行(是非抢先式调度)。,60,快中断与慢中断(4),为了尽快缩短快中断