第二章 操作系统的组织结构.ppt

第二章操作系统的组织结构 2 1操作系统虚拟机2 2操作系统逻辑结构2 3处理机的状态2 4中断机制2 5UNIX系统结构 2 2 1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 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 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 虚拟机的功能是通过它提供的命令体现的 操作命令 又称命令接口 作业控制语言 批处理中的作业说明书等 键盘命令 分时系统 个人PC 图形化用户界面 交互方式 系统功能调用 又称程序接口 2 1操作系统虚拟机 4 操作系统的虚拟技术CPU调度 分时共享 现代操作系统的虚拟存储技术 逻辑地址与物理地址的映射 设备管理中的虚拟设备和虚拟分配技术虚拟技术的原理 系统硬件包括CPU 主存和各种外部设备 每台硬部件被操作系统复制成多个虚拟部件 并分配给每个应用程序 这样 每个应用程序感觉自己拥有CPU 主存和外部设备 2 1操作系统虚拟机 5 2 2操作系统逻辑结构 整个操作系统在结构上类似一个洋葱头 它由若干层组成 每一层都提供一组功能 这些功能只依赖于该层以内的各层 系统核具有初级中断处理 外部设备驱动 在进程间切换处理机及实施进程控制和通信功能 提供一种进程可存在和活动的环境 系统核以外各层具有各种资源管理功能并为用户提供各种服务 分层的组织结构在一些操作系统中只是作为一种指导性原则 6 1 设置处理机状态的目的为操作系统建立一个保护环境 采用的办法是区分处理机的工作状态 系统中有两类程序 管理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 2 3处理机的状态 7 2 什么是处理机的态中央处理机的工作状态 当前它正在执行哪类程序 3 处理机态的类别管态 Supervisormode 系统态操作系统管理程序执行时机器所处状态 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 用户态 Usermode 目态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改变机器状态 并且只允许用户程序访问自己的存储区域 2 3处理机状态 8 管态用户态 操作系统的程序执行 用户程序执行 使用全部指令 禁止使用特权指令 包括一组特权指令 使用全部系统资源 只允许用户程序访 包括整个存储区域 问自己的存储区域 有的系统还将管理程序执行时的机器状态又进一步分为核态和管态 管态比核态权要低 区分处理机的工作状态是通过在计算机状态寄存器中的状态位 或模式位 来体现的 2 3处理机状态 9 4 特权指令在核态下 操作系统可以使用所有指令 包括一组特权指令 这些特权指令执行如下各种功能 改变机器状态的指令修改特殊寄存器的指令涉及外部设备的输入 输出指令在下列情况下 由用户态自动转向管态 用户进程操作系统 要求操作系统的某种服务 这种访问称为系统功能调用 在程序执行时 发生一次中断 在一个用户进程产生一个错误状态 将被处理为内部中断 用户态下执行特权指令 作为特殊类型的错误 按 处理 从管态返回用户态是用一条指令实现的 这条指令本身也是特权指令 2 3处理机状态 10 1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 2 4中断机制 11 2中断类型按中断功能分类输入输出中断 I O传输结束或出错中断 外中断 时钟中断 操作员控制台中断 通信中断等 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 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 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 2 4中断机制 12 按中断方式分类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 强迫性中断 输入输出中断 外中断 机器故障中断 程序性中断自愿中断它是运行程序所期待的事件 这种事件是由于运行程序请求操作系统服务而引起的 自愿中断如 访管中断 2 4中断机制 13 按中断来源分类中断由处理机外部事件引起的中断称为外中断 包括输入输出中断 外中断 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 PDP11系列机中断与俘获的分类 2 4中断机制 14 3中断进入中断响应所需要的硬件包括 2 4中断机制 15 3中断进入保护现场和恢复现场现场 是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 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 2 4中断机制 16 程序状态字 psw 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 处理机处于何种工作状态 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 2 4中断机制 17 程序状态字实例IBM370机程序状态字内容 PSW寄存器PDP11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C为进位位 V为溢出位 Z为零位 N为负位 T为自陷位 方式为系统状态 00表示核态 11表示用户态 优先级是指处理器的当前优先级 为使中断有效 CPU操作的优先级必须低于外部设备请求的优先级 2 4中断机制 18 中断响应什么是中断响应中断响应是当中央处理机发现已有中断请求时 中止现行程序执行 并自动引出中断处理程序的过程 中断响应过程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中断响应的实质交换指令地址及处理机的状态信息 2 4中断机制 19 中断响应过程 以自陷指令为例 trap指令执行时有以下四个动作 Trap指令的俘获地址是034和036号单元 SP PS SP PCPC 34 PS 36 2 4中断机制 20 4向量中断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 中断向量就是存储该类型的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 中断向量中断向量包含两个内容 一是某类型中断的中断服务例行程序的入口地址 另一个是处理器状态字 中断向量表系统中 主存中 所有中断类型的中断向量放在一起 形成了中断向量表 2 4中断机制 21 中断类型中断向量PC及PS值终端输入060终端输入处理程序入口地址0620200终端输出064终端输出处理程序入口地0660200纸带输入070纸带输入处理程序入口地址0720200纸带输入074纸带输出处理程序入口地址0760200电源时钟100电源时钟处理程序入口地址1020300程序时钟104程序时钟处理程序入口地址1060300行式打印机200行式打印机处理程序入口地址2020200RK磁盘220RK磁盘处理程序入口地址2220240 表2 1PDP11系列机中断向量地址及中断向量单元内容 22 俘获类型俘获向量地址PC及PS值总线超时004trap006340 0非法指令010trap012340 1断点跟踪指令014trap016340 2IOT指令020trap022340 3电源故障024trap026340 4EMT指令030trap032340 5TRAP指令034trap036340 6奇偶错114trap116340 7程序中断240trap242340 7浮点错244trap246340 8 表2 2俘获向量地址及俘获向量单元 23 5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 2 4中断机制 24 2 5UNIX系统结构 1UNIX系统体系结构UNIX核心层 处理机管理 存储管理 设备管理 文件系统 中断和俘获处理UNIX实用层操作系统中能从核心层分离出来 以核外程序形式运行在用户环境下 操作系统实用程序 编辑程序 调试