操作系统的结构和硬件支持 第2章 操作系统的结构和硬件支持

操作系统的结构和硬件支持——主要内容 操作系统虚拟机 操作系统的组织结构 处理机的特权级 中断技术 必要的硬件支持 1

操作系统的结构和硬件支持——操作系统虚拟机

See also: https://en.wikipedia.org/wiki/Indirection 操作系统的结构和硬件支持——操作系统虚拟机 1. 什么是操作系统虚拟机 裸机 作 系 统 应 程 序 用 户 操 扩 充 后 机 器 的 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。 思考：什么是虚拟机？为什么要设置虚拟机？ "All problems in computer science can be solved by another level of indirection" —— David Wheeler See also: https://en.wikipedia.org/wiki/Indirection 2

2. 操作系统虚拟机的指令系统 (1) 裸机的指令系统 (2) 操作系统虚拟机的指令系统 操作系统的结构和硬件支持——操作系统虚拟机 机器指令 (2) 操作系统虚拟机的指令系统 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) 3

操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构

1. 操作系统的结构类型 操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 操作系统的设计方法 单体结构 模块化结构 可扩展内核结构 层次结构 1. 操作系统的结构类型 操作系统的设计方法 单体结构 模块化结构 可扩展内核结构 层次结构 ⅰ 单体结构 ⅱ 模块化结构 应用软件 其他系统软件 操作系统其他功能 操 作 系 统 内核 应用软件 其他系统软件 操作系统其他功能 操 作 系 统 内核 4

操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 ⅲ 可扩展内核结构 ⅳ 层次结构 操 作 系 统 应用软件 其他系统软件 操作系统其他功能 内核 核心功能 基础核心 操 作 系 统 应用软件 其他系统软件 操作系统其他功能 内核 内核 操作系统 4 种组织结构示意图 5

操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 2. 操作系统的层次结构 操作系统层次结构示意图 6

3. 实例操作系统的结构 (1) UNIX操作系统的结构 操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 ① UNIX核心层 处理机管理 3. 实例操作系统的结构 (1) UNIX操作系统的结构 UNIX操作系统结构示意图 ① UNIX核心层 处理机管理 存储管理 设备管理 文件系统 ② UNIX实用层 实用程序 —— 编辑程序、调试程序、系统状态监控、文件管理等实用程序 存储管理软件工具 ——源代码控制程序SCCS、文档准备程序包等 7

(2) Linux系统的核心结构 操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 用户程序 程 序 库 用户级 核心级 系 统 调 用 界 面 进程通信 进程调度 存储管理 文件子系统 高速缓冲 字符设备 块设备 设备驱动程序 用户程序 硬 件 控 制 硬 件 用户级 核心级 硬件层 进程管理与存储管理 网络管理 网络协议 网络驱动 Linux系统的核心结构示意图 8

(3) Windows操作系统的结构 操作系统的结构和硬件支持——操作系统的结构 Windows系统结构示意图 系统虚拟机 应用程序 16位Windows Windows 子系统 Windows Kernel GDI User MS DOS 虚拟机 可安装的文件系统管理程序 32位 FAT CD-ROM 文件系统 网络重 定向程序 块 I/O 子系统 主存管理 调度程序 Vxds服务及动态装入程序 MS DOS VM 管理程序 设备驱动程序： 键盘、显示器、鼠标、 通信及其他 第 3 环组件 文件管理子系统 虚拟机管理子系统 共享的地址空间 Windows系统结构示意图 9

操作系统的结构和硬件支持——处理机的特权级

1. 为什么要区分处理机的状态 2. 处理机的状态及分类 (1) 什么是处理机的态 操作系统的结构和硬件支持——处理机的特权级 系统中两类程序的职责和区别 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 区分处理机状态的目的：保护操作系统 2. 处理机的状态及分类 (1) 什么是处理机的态 处理机的态，又称为处理机的特权级，是中央处理机的工 作状态。当前处理机正在执行哪类程序，决定处理机的态。 10

(2) 处理机状态的分类 操作系统的结构和硬件支持——处理机的特权级 ① 管态 (Supervisor mode) 操作系统的管理程序执行时机器所处的状态，又称处理机的特权级。在此状态下处理机可使用全部指令(包括一组特权指令)；使用全部系统资源(包括整个存储区域)。 ② 用户态(User mode) 用户程序执行时机器所处的状态称为用户态。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。 11

管态 用户态 (3) 处理机状态的特权指令集 操作系统的结构和硬件支持——处理机的特权级 操作系统的程序执行 用户程序执行 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 使用全部系统资源 只允许用户程序 (包括整个存储区域) 访问自己的存储区域 (3) 处理机状态的特权指令集 ① 涉及外部设备的输入/输出指令 ② 修改特殊寄存器的指令 ③ 改变机器状态的指令 12

(4) 实例操作系统处理机的状态 操作系统的结构和硬件支持——处理机的特权级 ① DOS系统 ② Windows 系统 不分态 ② Windows 系统 　 3环 用户态 0环 系统态 还有1、2环预留 ③ UNIX系统 (Linux)系统 　 00 核态 01 管态 11 用户态 13

操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理

1. 异常和中断 异常——Exception 中断——Interrupt ReQuest (IRQ) i386的异常和中断 Exceptions and interrupts are both "protected control transfers," which cause the processor to switch from user to kernel mode (CPL=0) without giving the user-mode code any opportunity to interfere with the functioning of the kernel or other environments. In Intel's terminology, an interrupt is a protected control transfer that is caused by an asynchronous event usually external to the processor, such as notification of external device I/O activity. An exception, in contrast, is a protected control transfer caused synchronously by the currently running code, for example due to a divide by zero or an invalid memory access.

异常和中断（续） 异常（Exception）在i386中与trap是一个意思，但中文翻译的时候往往翻译成异常、陷阱或俘获，其实是一个意思。 异常是由于程序的行为（如除0错、缺页等）导致的同步事件，必须由计算机立刻处理。处理完成后，回到程序发生异常处继续执行。 中断是指某个事件（例如键盘输入、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，处理完毕后返回现行程序的下一条指令，继续执行。 中断处理的时机在指令的间隙，当前指令执行完毕后会检测是否有中断到达，并由系统决定是否进入中断处理。

异常和中断（续） i386的异常/中断表

中断源：引起中断的事件称中断源，如打印完成中断，其中断源是打印机。 断点：发生中断时正在运行的程序被暂时停止，程序的暂停点称为断点。例如，某程序正在执行0200地址的指令被中断，那么，0200地址就是断点， 在中断返回时就执行0200的下一条指令。 中断响应：是处理机发现有中断请求时，中止现运行程序的执行并自动引出中断处理程序的过程。 中断由软硬件协同处理 中断装置：指发现中断，响应中断的硬件 中断处理程序：由软件来完成 中断系统 = 中断装置 + 中断处理程序

2. 中断类型 (1) 按中断功能分类 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 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、主存取指令错等 ④ 程序性中断 定点溢出、用户态下用核态指令、非法操作 ⑤ 访管中断 对操作系统提出某种需求时所发出的中断 15

(2) 按中断方式分类 (3) 按中断是否可屏蔽 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 ① 强迫性中断 不是正在运行的程序所期待的中断。 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 是运行程序所期待的事件。 如：访管中断 (3) 按中断是否可屏蔽 ① 不可屏蔽中断（NMI） ② 可屏蔽中断 16

(4) 按中断来源分类 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 ① 中断 由处理机外部事件引起的中断 ② 俘获 由处理机内部事件引起的中断 ① 中断 由处理机外部事件引起的中断 ② 俘获 由处理机内部事件引起的中断 ③ 中断与俘获的例子  trap 指令 俘点 溢出 地址 越界 非法 exit fork read clock 时钟 rk 磁盘 tty 终端 中断与俘获 中断 俘获 中断与俘获示意图 17

3. 中断响应 (中断进入) 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 正在执行 的程序 中断进入 中断处 理程序 中断 返回 中断信号 继续执行 中断进入 中断 返回 中断信号 正在执行 的程序 中断处 理程序 中断概念示意图 18

(1) 保护现场和恢复现场 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 ① 现场 ⅰ 后继指令所在主存的单元号 ⅱ 程序运行所处的状态 在中断的那一时刻能确保程序继续运行的有关信息。 ⅰ 后继指令所在主存的单元号 ⅱ 程序运行所处的状态 ⅲ 指令执行情况 ⅳ 程序执行的中间结果等 19

操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 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。 20

(2) 程序状态字 (psw) 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 ① 定义 反映程序执行时机器所处的现行状态的代码。 ② 内容 指令地址、指令执行情况、处理机状态、应屏蔽的中断等。 ③ 程序状态字的例 ⅰ IBM 370 机 程序状态字内容  PSW寄存器 ⅱ IBM PC 机 程序状态字内容  CS IP 指令地址 flag 标志寄存器 ⅲ 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 21

(3) 什么是中断响应 (4) 中断响应所需的硬件支持 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 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。 (4) 中断响应所需的硬件支持 继续执行 中断进入 中断 返回 中断信号 正在执行 的程序 中断处 理程序 指令计数器 系统 堆栈 中断 向量表 处理机状态寄存器 中断响应所需的硬件支持 22

(5) 中断响应过程 (6) 中断响应的实质 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 ① 保留程序断点及处理机 有关信息 ② 自动转入相应的中断处 理程序执行 中断处理程序的PC 中断处理程序的PS 主存 PC PS 堆栈 堆栈栈 顶指针 (4) (1) (2) (3) (6) 中断响应的实质 交换指令地址及处理机 的状态信息 中断响应过程示意图 23

4. 软件中断处理 操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 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。 软件的中断处理过程如图所示。 保留被中断程序的现场 进入相应的中断服务例程 恢复被中断程序的现场 中断 返回 中断进入 k+0 现行程序 k+1 软件中断处理过程示意图 24

操作系统的结构和硬件支持——中断及其处理 必要的硬件支持

存储器 主存储器（主存、内存）： 辅存储器（辅存、外存）： 处理机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。 只读存储器ROM(Read-only memory)： ROM称为BIOS，用来存放基本的I/O程序。 随机访问存储器 RAM（random access memory) 辅存储器（辅存、外存）： 处理机不能直接访问的存储器，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放大量的数据信息。

DMA(Direct Memory Access) Operation of a DMA transfer

Clocks - Clock Hardware 时钟硬件 实时时钟（Real Time Clock，RTC） 可编程间隔定时器（Programmable Interval Timer，PIT） 时间戳计数器（Time Stamp Counter，TSC）。

Clocks - Clock Hardware A programmable interval clock

Clocks - Clock Hardware（续） Programmable interval clock的工作模式 One-shot mode Square-wave mode 时钟滴答(Clock tick) 周期性地发生时钟中断（可编程设置间隔）

Clocks - Clock Hardware （续） 实时时钟RTC 在PC机断电后仍能保存时间 通过主板上的电池供电；通常与CMOS RAM集成到一块芯片上，也称为 CMOS Timer 可在系统初启时读入 并转换为相对于某一基准时间的时钟滴答数 操作系统提供实用程序可以设置系统时钟和RTC并在二者之间同步

Clocks - Clock Hardware （续） 时间戳记数器TSC Pentium之后的CPU中包含的64位的寄存器 在每一个振荡信号到达时，该计数器递增 可为操作系统提供更准确的时间度量

操作系统的结构和硬件支持——小结 第2章 操作系统的结构和硬件支持 小结

操作系统的结构和硬件支持——小结 什么是操作系统虚拟机 操作系统的结构 区分处理机的态的目的 管态、用户态，二者的区别 中断的定义、类型 中断响应的定义、实质、所需的硬件支持 软件中断处理过程 必要的硬件支持，PIT、DMA等 25