第二章-操作系统的组织结构PPT课件

第二章操作系统的组织结构 操作系统的设计具有以下特征复杂程度高 表现在功能繁多 程序规模宏达 接口复杂 并行程度高 如Linux的内核代码约200万行 Windows2000的代码约3200万行 投入人力2500多人 生存周期长 正确性难以保证 如不断推出的补丁程序 1 2 2 1结构化组织 一 一体化结构将操作系统的功能模块和数据结构放在一个模块中 按功能特性把系统分解为若干模块 并且还可再细分为子模块 每个模块具有一定的功能 若干关联模块协作完成某项功能 特征 模块间可不加控制的自由调用 数据大都作为全程量使用 模块间需要传递参数或返回结果时 其个数和方式可根据需要随意约定 特点 一旦很好地实现 该操作系统将非常有效 但缺点是难以理解 难以维护 验证其正确性困难 如 Unix或Linux采用一体化结构设计P43如图2 13 P45图2 14 2 二 层次结构把操作系统划分为若干模块 这些模块按调用次序排列成若干层次 个层次之间必须是单向调用 即高层可以调用底层的功能 反之则不能 P31图2 4第一层 进程控制 进程通信 处理机调度 初级中断处理第二层 存储管理第三层 I O管理第四层 文件存取第五层 资源分配和调度特点 将整体问题局部化 结构清晰和规范 系统的正确性大大提高 有利于维护和扩充 由于层次结构是单向依赖 必须建立模块间的通信机制 花费在通信上的开销较大 因而系统的效率会降低 3 2 3处理机的状态根据对资源和机器指令的使用权限 把处理机的状态分为 核心态 Kernelmode OS的管理程序执行时CPU的状态 在此状态下允许CPU使用全部的机器资源和全部指令 用户态 Usermode 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 不能直接取用资源和改变机器状态 只允许访问自己的存储区域 管态 Supervisormode 比核心态的权限低 只允许使用一些在用户态下所不能使用的资源 但不能使用修改机器状态的指令 为了区分CPU的状态 CPU中的状态寄存器中包含1个状态位可以设置核心态模式或用户态模式 8088 8086CPU中没有这个标志位 当用户程序执行时 如果请求OS服务 CPU由用户态转为核心态 当服务完毕后 返回到用户态 让用户程序继续执行 P106图4 29 4 2 3 2特权指令集 1 改变机器状态的指令 2 修改特殊寄存器的指令 如中断屏蔽寄存器 界限寄存器等 3 涉及外设的输入 输出指令 5 2 3 3时钟 时钟时OS进行调度的重要工具 是OS运行时必不可少的硬件设施 它以固定的时间产生时钟中断信号 如Intel8088中的8253定时器 每秒中断18 2次 这对于设施调度策略 如分时中的时间片 计算各用户耗用的资源 如进程占用的累计CPU时间 实时控制和延迟等功能是必不可少的 例如 用时钟可记录当前时间 年月日时分秒 系统有一个时钟寄存器 操作员将当前时间输入时钟寄存器作为初值 以后定时器每发出一个时钟信号 如20ms 其自动加1 如果时钟寄存器为64位 则系统的最大计时为 264 1 20ms 约178510 25年 6 2 4中断机制 中断是实现OS功能的基础 是构成多道程序运行环境的根本措施 中断是OS各种功能的驱动源 例如 操作员从键盘发出终止执行的命令 如CTRL C或CTRL BREAK 可以终止当前进程的运行 发出 CTRL ALT DEL 可以启动任务管理器 时钟中断 如时间片到 可导致CPU调度进程的执行 I O完成中断可激活I O管理进程投入运行 总之 现代OS中 几乎所有的操作都是由中断引发的 7 一 中断的概念 当CPU正在执行程序时 出现某种非预期事件 CPU暂停当前程序的执行转而为该事件服务 当处理完该事件后 再继续原来程序的执行 这一过程称为中断 8 二 中断的类型 1 输入输出中断如 程序中断接口 DMA接口 通道2 外中断 CPU的外部装置所引起的中断如 时钟中断 控制台中断3 机器故障中断如 电源故障 奇偶校验出错等4 程序性中断如 溢出 地址越界 地址出错 非法操作等5 访管中断 对OS提出需求时所发生的中断例如 请求I O服务 各种系统调用 如建立进程 等 9 三 中断的处理过程 中断源的识别保护断点和现场执行中断服务程序恢复断点和现场向量中断和向量中断是不同的概念 中断向量一般为中断服务程序的入口地址或为中断服务程序入口地址的指示器 10 课堂练习 假设一个计算机系统具有如下特征 处理一次中断 平均耗用1ms 一次进程调度 平均需要2ms 将CPU分配给选中的进程 又需要平均1ms 再假设其定时器芯片每秒产生100次中断 请回答 操作系统将百分之几的CPU时间用于时钟中断处理 如果操作系统采用轮转法调度 10个时钟中断为1个时间片 那么 操作系统将百分之几的CPU时间用于进程调度 包括调度 分配CPU和引起调度时的时钟中断处理时间 解 100 1ms 1s 10 时间片的大小 10 1S 100 100ms 每10ms产生1个时