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操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)與用戶接口
系統(tǒng)調(diào)用
操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)特征
3.0用戶與操作系統(tǒng)的接口
1. 命令接口
聯(lián)機(jī)接口(交互式):使用系統(tǒng)提供的操作命令,交互地控制程序執(zhí)行和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng).如系統(tǒng)管理,環(huán)境設(shè)置,權(quán)限管理,文件管理等
脫機(jī)接口:以作業(yè)說(shuō)明書(shū)的方式提交給系統(tǒng)(批的方式);執(zhí)行過(guò)程中,用戶無(wú)法干涉
2.程序接口(系統(tǒng)調(diào)用)
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口,編程人員利用系統(tǒng)調(diào)用,完成與機(jī)器硬件部分相關(guān)的工作.用戶就可以在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的一些子功能.
命令解釋系統(tǒng)
命令解釋系統(tǒng)(外殼,shell):是OS的重要組件之一,是用戶和OS的接口.
作用:讀入用戶的輸入或者文件中的命令,并運(yùn)行它(們);通常轉(zhuǎn)換為一個(gè)或者多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
位置:
有的是在內(nèi)核中
有的如MS-DOS和Unix,則將它作為一個(gè)特殊程序(它易變,因此更靈活),當(dāng)一個(gè)作業(yè)開(kāi)始或者分時(shí)系統(tǒng)中用戶登陸時(shí),它運(yùn)行
命令解釋系統(tǒng)的工作流程
首先讀入鍵盤(pán)緩沖區(qū)中的命令,判別其文件名,擴(kuò)展名及驅(qū)動(dòng)器名是否正確.
若發(fā)現(xiàn)有錯(cuò),在給出出錯(cuò)信息后返回;
若無(wú)錯(cuò),再識(shí)別該命令:
基于表格的方法:
從對(duì)應(yīng)表項(xiàng)中獲得該命令處理程序的入口地址,然后把控制權(quán)交給該處理程序去執(zhí)行該命令.
表格其中的每一表目都是由命令名及其處理程序的入口地址兩項(xiàng)所組成.
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-功能
系統(tǒng)調(diào)用(SYSTEM CALL) :
OS核心中都有一組實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的過(guò)程(子程序),系統(tǒng)調(diào)用就是對(duì)上述過(guò)程的調(diào)用.編程人員利用系統(tǒng)調(diào)用,向OS提出服務(wù)請(qǐng)求,由OS代為完成.
每個(gè)系統(tǒng)都有上百種系統(tǒng)調(diào)用,涉及進(jìn)程,文件和設(shè)備控制等.
系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行于核心態(tài);而普通的函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫(kù)或用戶自己提供,運(yùn)行于用戶態(tài).
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-舉例
例1: 文件管理:文件讀寫(xiě)和文件控制(高級(jí)語(yǔ)言);
Open 文件打開(kāi)
Close 文件關(guān)閉
Read 讀文件
Write 寫(xiě)文件
Creat 文件創(chuàng)建
例2. 利用系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)文件內(nèi)容讀寫(xiě)
MOVE DX,OFFSETBUFF
MOVE CX,BYTE
MOVE BX,HANDLE
MOVE AH,3FH
INT 21H
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-實(shí)現(xiàn)過(guò)程
當(dāng)編程人員給定了系統(tǒng)調(diào)用名和參數(shù)之后,由一個(gè)類(lèi)似于硬件中斷處理的中斷處理機(jī)構(gòu)完成-陷入處理機(jī)構(gòu).它是在系統(tǒng)中為控制系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)的機(jī)構(gòu).
當(dāng)用戶使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí),產(chǎn)生一條相應(yīng)的指令(陷入指令,trap指令),CPU在執(zhí)行到該指令時(shí)發(fā)生相應(yīng)的中斷,發(fā)出有關(guān)信號(hào)給該處理機(jī)構(gòu),并啟動(dòng)相應(yīng)的處理程序來(lái)完成該系統(tǒng)調(diào)用所要求的功能.
陷入指令(或稱(chēng)訪管指令):由于系統(tǒng)調(diào)用引起處理機(jī)中斷的指令
在陷入中斷發(fā)生時(shí),從用戶態(tài)->系統(tǒng)態(tài).這一轉(zhuǎn)換在發(fā)生訪管中斷時(shí)由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn).
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-實(shí)現(xiàn)過(guò)程
系統(tǒng)調(diào)用語(yǔ)句本身是硬件提供的(機(jī)器指令),但其所調(diào)用的功能是操作系統(tǒng)提供的.每種機(jī)器的機(jī)器指令集中都有一條系統(tǒng)調(diào)用指令.
系統(tǒng)調(diào)用與返回
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-實(shí)現(xiàn)過(guò)程
設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用號(hào)和參數(shù).
調(diào)用號(hào)作為指令的一部分(如早期UNIX),或裝入到特定寄存器里(如:DOS的 int 21H,AH=調(diào)用號(hào).)
參數(shù)裝入到特定寄存器里,或內(nèi)存區(qū)域
執(zhí)行trap(INT)指令:入口的一般性處理,查入口跳轉(zhuǎn)表,跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能的過(guò)程.
保護(hù)CPU現(xiàn)場(chǎng)(將PC與PSW入棧),改變CPU執(zhí)行狀態(tài)(處理機(jī)狀態(tài)字PSW切換,地址空間表切換)
將參數(shù)取到核心空間
執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)部代碼;
執(zhí)行iret指令:將執(zhí)行結(jié)果裝入適當(dāng)位置(類(lèi)似于參數(shù)帶入),恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)(以棧頂內(nèi)容置PSW和PC).
系統(tǒng)調(diào)用表/調(diào)用號(hào)
Linux為每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都進(jìn)行了編號(hào)(最大為NR_syscall),同時(shí)在內(nèi)核中保存了一張系統(tǒng)調(diào)用表,該表中保存了系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)和其對(duì)應(yīng)的服務(wù)例程地址.第n個(gè)表項(xiàng)包含系統(tǒng)調(diào)用號(hào)為n的服務(wù)例程的地址.
系統(tǒng)調(diào)用時(shí)需要把系統(tǒng)調(diào)用號(hào)一起傳入內(nèi)核.在x86上,這個(gè)傳遞動(dòng)作是通過(guò)在執(zhí)行int $0x80前把調(diào)用號(hào)裝入eax寄存器實(shí)現(xiàn).
這樣系統(tǒng)調(diào)用處理程序一旦運(yùn)行,就可以從eax中得到數(shù)據(jù),然后再去系統(tǒng)調(diào)用表中尋找相應(yīng)服務(wù)例程了.
現(xiàn)在的系統(tǒng)提供了許多庫(kù)函數(shù),用戶編程時(shí)也許就是用上層的庫(kù)函數(shù),而不是直接使用系統(tǒng)調(diào)用.
Win32 API:如微軟提供了一個(gè)Win32 API函數(shù)集合,它實(shí)質(zhì)上就是一些庫(kù)函數(shù).在這些函數(shù)執(zhí)行時(shí),往往會(huì)再去調(diào)用系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用.該庫(kù)函數(shù)提供了更易用的界面.因此,通過(guò)Win32 API程序員就能夠得到操作系統(tǒng)的服務(wù).
如write(,…,…)
教材P49:文件復(fù)制
3.1 系統(tǒng)調(diào)用-庫(kù)函數(shù)
陷入與中斷的比較
相同點(diǎn):它們都是由相同的硬件機(jī)構(gòu)處理的事件,
陷入是指CPU內(nèi)部事件產(chǎn)生的中斷,它包括程序運(yùn)算引起的各種錯(cuò)誤,如地址非法,效驗(yàn)錯(cuò),頁(yè)面失效,存取控制錯(cuò),從用戶態(tài)到核心態(tài)的切換等都是陷阱的例子
中斷和陷入不同點(diǎn):
陷入通常由處理機(jī)正在執(zhí)行的現(xiàn)行指令引起,而中斷則是由與現(xiàn)行指令無(wú)關(guān) 的中斷源引起;
陷入處理程序提供的服務(wù)為當(dāng)前進(jìn)程所用,而中斷處理程序提供的服務(wù)則不是為了當(dāng)前進(jìn)程的
中斷只能在指令之間被響應(yīng),而陷入可以在一條指令執(zhí)行中被響應(yīng)
陷入處理程序在各自的堆棧上進(jìn)行,中斷處理程序則在系統(tǒng)堆棧環(huán)境中進(jìn)行
_軟中斷是通信進(jìn)程之間用來(lái)模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式,處理機(jī)處理的時(shí)機(jī)決定于接受軟中斷信號(hào)的進(jìn)程,如果占有處理機(jī),與中斷處理相同,否則相應(yīng)的處理必須等到接收進(jìn)程得到處理機(jī)才能響應(yīng).
3.2.1 整體或模塊結(jié)構(gòu)
3.2.2 分層結(jié)構(gòu)
3.2.3微內(nèi)核結(jié)構(gòu)(客戶-服務(wù)器結(jié)構(gòu))
3.2.4 虛擬機(jī)
3.2,操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整體或模塊結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)按功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和模塊劃分.系統(tǒng)是一個(gè)單一的,龐大的的軟件系統(tǒng).由眾多服務(wù)過(guò)程(模塊)組成,可以隨意調(diào)用其他模塊中的服務(wù)過(guò)程
評(píng)價(jià)
優(yōu)點(diǎn):具有一定靈活性,模塊之間轉(zhuǎn)接的靈活性使運(yùn)行中的高效率;結(jié)構(gòu)緊密,接口簡(jiǎn)單直接
缺點(diǎn):功能劃分和模塊接口難保正確和合理;模塊之間的依賴(lài)關(guān)系(功能調(diào)用關(guān)系)復(fù)雜(調(diào)用深度和方向)
3.2,操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-(1)整體或模塊結(jié)構(gòu)
3.2.1 整體或模塊結(jié)構(gòu)
從資源管理觀點(diǎn)出發(fā),將OS劃分為若干層次.在某一層次上代碼只能調(diào)用低層次上的代碼,使模塊間的調(diào)用變?yōu)橛行蛐?有利于系統(tǒng)的維護(hù)性和可靠性.
3.2.2 分層結(jié)構(gòu)
3.2.2 分層結(jié)構(gòu)
按此種模式構(gòu)造的第一個(gè)操作系統(tǒng)是E.W.Dijkstra開(kāi)發(fā)的THE系統(tǒng)(1968年).
一個(gè)層次式操作系統(tǒng)
處理器分配和多道程序
0
內(nèi)存和外存管理
1
操作員一進(jìn)程通信
2
輸入輸出管理
3
用戶程序
4
操作員
5
功 能
層次
3.2.2 分層結(jié)構(gòu)-特點(diǎn)
分層原則
被調(diào)用功能在低層:如文件系統(tǒng)管理-設(shè)備管理-設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
活躍功能在低層:提高運(yùn)行效率
資源管理的公用模塊放在最低層:如緩沖區(qū)隊(duì)列,堆棧操作
最低層的硬件抽象層:與機(jī)器特點(diǎn)緊密相關(guān)的軟件放在最低層.如Windows NT中的HAL--單處理,多處理
資源分配策略放在最外層,便于修改或適應(yīng)不同環(huán)境
3.2.2 分層結(jié)構(gòu)-特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
功能明確,調(diào)用關(guān)系清晰(高層對(duì)低層單向依賴(lài)),有利于保證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性
低層和高層可分別實(shí)現(xiàn)(便于擴(kuò)充);高層錯(cuò)誤不會(huì)影響到低層
缺點(diǎn):
效率低.層次之間的調(diào)用開(kāi)銷(xiāo).
3.2.3微內(nèi)核結(jié)構(gòu)(客戶-服務(wù)器結(jié)構(gòu))
趨勢(shì):從操作系統(tǒng)中去掉盡可能多的東西,而只留一個(gè)最小的核心
微內(nèi)核(micro-kernel):
只給內(nèi)核分配一些最基本的功能,運(yùn)行在內(nèi)核模式. (如:內(nèi)存,進(jìn)程間通信,基本調(diào)度等).
其它的OS服務(wù)都是由運(yùn)行在用戶模式下的進(jìn)程完成,可作為獨(dú)立的應(yīng)用進(jìn)程,稱(chēng)為服務(wù)進(jìn)程.
微內(nèi)核提供客戶程序和運(yùn)行在用戶空間的各種服務(wù)之間的通信能力.
如Mach Unix.而Windows NT采用了混合結(jié)構(gòu).(分層結(jié)構(gòu)+微內(nèi)核結(jié)構(gòu))
3.2.3微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
3.2.3微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
優(yōu)點(diǎn):
良好的擴(kuò)充性:只需添加支持新功能的服務(wù)進(jìn)程即可.而且所有新服務(wù)被增加到用戶空間中,不需要修改內(nèi)核.
可靠性好:所有服務(wù)器以用戶進(jìn)程的形式運(yùn)行,而不是運(yùn)行在核心態(tài),所以它們不直接訪問(wèn)硬件.假如在文件服務(wù)器中發(fā)生錯(cuò)誤,文件服務(wù)器可能崩潰,但不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰
便于網(wǎng)絡(luò)服務(wù),實(shí)現(xiàn)分布式處理:微內(nèi)核可以以相同的方式與本地和遠(yuǎn)程的服務(wù)進(jìn)程交互(遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用 RPC, Remote Procedure Call)
缺點(diǎn):
消息傳遞比直接調(diào)用效率要低一些 (但可以通過(guò)提高硬件性能來(lái)補(bǔ)償 )
3.2.3 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
3.2.4 虛擬機(jī)
3.2.4 虛擬機(jī)
虛擬機(jī):通過(guò)某種技術(shù),使物理計(jì)算機(jī)作為共享資源從而創(chuàng)建虛擬機(jī).
利用CPU調(diào)度,虛擬內(nèi)存技術(shù),OS能創(chuàng)建一種幻覺(jué),從而使進(jìn)程認(rèn)為有自己的處理器和自己的內(nèi)存.
每臺(tái)虛擬機(jī)都與裸機(jī)相同,所以每臺(tái)虛擬機(jī)可以運(yùn)行一臺(tái)裸機(jī)所能夠運(yùn)行的任何類(lèi)型的操作系統(tǒng).不同的虛擬機(jī)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng).
3.2.4 虛擬機(jī)
使用虛擬機(jī)的好處
通過(guò)完成保護(hù)系統(tǒng)資源,虛擬機(jī)提供了一個(gè)安全層,每個(gè)虛擬機(jī)完全與其它虛擬機(jī)隔開(kāi),從而使系統(tǒng)資源被完全保護(hù)
虛擬機(jī)允許進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而不必中斷正常的系統(tǒng)操作:系統(tǒng)程序員有自己的虛擬機(jī),系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可在虛擬機(jī)而不是真實(shí)的物理機(jī)器上進(jìn)行.
虛擬機(jī)的應(yīng)用:作為解決系統(tǒng)兼容性問(wèn)題的一種方法,虛擬機(jī)的應(yīng)用程序不斷增加.
例如在Sun的處理器上運(yùn)行微軟開(kāi)發(fā)的基于Intel CPU的系統(tǒng):解決方法是在Sun的處理器上創(chuàng)建虛擬Intel機(jī),其Intel指令被轉(zhuǎn)換為本機(jī)指令.
允許windows程序運(yùn)行在基于Linux的機(jī)器上,該虛擬機(jī)可以運(yùn)行Windows應(yīng)用程序和Windows操作系統(tǒng).
3.2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)目標(biāo)
硬件
系統(tǒng)類(lèi)型:批處理,分時(shí),分布式...
用戶目標(biāo):
使用人員:使用方便,可靠,快速
設(shè)計(jì)與維護(hù)人員:容易設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)和維護(hù).
系統(tǒng)目標(biāo)
區(qū)分機(jī)制與策略(細(xì)讀P65頁(yè))
機(jī)制:決定如何來(lái)做
策略:決定做什么
如定時(shí)器結(jié)構(gòu).策略可能會(huì)隨地點(diǎn)或時(shí)間而概念,系統(tǒng)更需要通用機(jī)制.
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)OS是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的,如MS-DOS使用Intel8088 匯編語(yǔ)言寫(xiě)的
現(xiàn)在的OS都是用高級(jí)語(yǔ)言如C或者C++來(lái)寫(xiě)的:使代碼編寫(xiě)更快,容易理解和調(diào)試,OS更容易移植.但可能降低速度,提高存儲(chǔ)要求.
對(duì)于關(guān)鍵子程序,可用匯編語(yǔ)言編寫(xiě).
3.3 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征
并發(fā)(concurrency)
共享(sharing)
虛擬(virtual)
異步性(asynchronism)
并發(fā)(concurrency)
并發(fā)指:多個(gè)事件在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生.操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)系統(tǒng),各進(jìn)程間的并發(fā),系統(tǒng)與應(yīng)用間的并發(fā).操作系統(tǒng)要完成這些并發(fā)過(guò)程的管理.
"在同一段時(shí)間內(nèi),多個(gè)程序在宏觀上同時(shí)運(yùn)行,微觀上分時(shí)地交替執(zhí)行" (在單處理器情況下).
并行(parallel)是指在同一時(shí)刻發(fā)生.
共享(sharing)
互斥共享方式(如音頻設(shè)備):資源分配后到釋放前,不能被其他進(jìn)程所用.
同時(shí)訪問(wèn)方式:(如可重入代碼,磁盤(pán)文件)
資源分配難以達(dá)到最優(yōu)化
多個(gè)進(jìn)程共享有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源.操作系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配和使用.資源在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)交替被多個(gè)進(jìn)程所用.
程序的并發(fā)執(zhí)行能有效改善系統(tǒng)資源的利用率,但使系統(tǒng)復(fù)雜化,因此操作系統(tǒng)必須對(duì)并發(fā)活動(dòng)進(jìn)行控制和管理.
并發(fā)是操作系統(tǒng)最重要的特征,其它特征均以并發(fā)為前提.
并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)的兩個(gè)最基本的特征 ,二者互為存在條件:
資源的共享是以程序的并發(fā)執(zhí)行為條件.
程序的并發(fā)執(zhí)行也以資源的共享為條件.
虛擬(virtual)
是指通過(guò)某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變成若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物.在OS中利用了多種虛擬技術(shù),分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬處理機(jī),虛擬內(nèi)存,虛擬外部設(shè)備和虛擬信道等.
虛擬是操作系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源的重要手段,可提高資源利用率.
CPU--每個(gè)用戶(進(jìn)程)的"虛處理機(jī)"
存儲(chǔ)器--每個(gè)進(jìn)程都占有的地址空間(指令+數(shù)據(jù)+堆棧)
顯示設(shè)備--多窗口或虛擬終端(virtual terminal)
異步性(asynchronism)
進(jìn)程的運(yùn)行速度不可預(yù)知:分時(shí)系統(tǒng)中,多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行,"時(shí)走時(shí)停",不可預(yù)知每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行推進(jìn)快慢
判據(jù):無(wú)論快慢,應(yīng)該結(jié)果相同--通過(guò)進(jìn)程互斥和同步手段來(lái)保證
難以重現(xiàn)系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)(包括重現(xiàn)運(yùn)行中的錯(cuò)誤)
也稱(chēng)不確定性,指進(jìn)程的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間的不確定性;
操作系統(tǒng)采用強(qiáng)內(nèi)核結(jié)構(gòu),是基于傳統(tǒng)的集中式操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu).在這種強(qiáng)內(nèi)核的操作系統(tǒng)中,系統(tǒng)調(diào)用是通過(guò)陷入內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的,在內(nèi)核完成所需要的服務(wù),最后返回結(jié)果給用戶程序.
微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是一種新的結(jié)構(gòu)組織形式,它體現(xiàn)了操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思想.
① 進(jìn)程間通信機(jī)制;
② 某些存儲(chǔ)管理;
③ 有限的低級(jí)進(jìn)程管理和調(diào)度;
④ 低級(jí)I/O.
一臺(tái)完全無(wú)軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱(chēng)為裸機(jī),即便其性能再?gòu)?qiáng),相對(duì)于用戶來(lái)講,如果要面對(duì)計(jì)算機(jī)的指令集,存儲(chǔ)組織,I/O總線結(jié)構(gòu)的編程則是十分困難的.對(duì)于一般程序員也并不想涉足硬件編程的種種具體細(xì)節(jié),而希望針對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地使用硬件.如果我們?cè)诼銠C(jī)上覆蓋一層I/O設(shè)備管理軟件,用戶便可以利用這層I/O設(shè)備管理軟件提供給用戶的接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出,那么用戶此時(shí)看到的計(jì)算機(jī)是一臺(tái)功能強(qiáng)大,使用方便的計(jì)算機(jī),但實(shí)際上,計(jì)算機(jī)的硬件絲毫沒(méi)有變化,這樣的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為軟件擴(kuò)充的機(jī)器,或稱(chēng)軟件虛擬機(jī).
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