操作系统结构与界面.pptx

2.3 操作系统运行模型操作系统核心的主要功能模块介绍如下：操作系统核心的主要功能模块介绍如下：系统初始化模块：系统初始化模块：准备系统运行环境，最后为每准备系统运行环境，最后为每个终端创建一个进程，运行命令解释程序。个终端创建一个进程，运行命令解释程序。进程管理模块：进程管理模块：处理进程类系统调用（如进程创处理进程类系统调用（如进程创建建/结束等）和进程调度。结束等）和进程调度。存储管理模块：存储管理模块：配合进程管理，分配进程空间；配合进程管理，分配进程空间；处理存储类系统调用（如动态增加进程空间）；在处理存储类系统调用（如动态增加进程空间）；在虚存系统缺页异常时调入页面进行处理。虚存系统缺页异常时调入页面进行处理。文件管理模块：文件管理模块：处理文件类系统调用。处理文件类系统调用。外设管理模块：外设管理模块：负责外设驱动和中断处理。负责外设驱动和中断处理。操作系统三种模型：独立运行的内核独立运行的内核:用户程序与核心程序在用户程序与核心程序在分离的运行环境中运行分离的运行环境中运行,核心程序作为一核心程序作为一个独立的特殊执行体运行，有自己独立的个独立的特殊执行体运行，有自己独立的运行栈。内核程序通过中断运行栈。内核程序通过中断/例外机制启例外机制启动运行。动运行。内核内核用户用户进程进程用户用户进程进程用户用户进程进程a.a.独立内核模式独立内核模式.用户用户进程进程用户用户进程进程用户用户进程进程内内核核程序程序 b.b.操作系统嵌入用户进程中运行操作系统嵌入用户进程中运行进程切换进程切换嵌入用户进程执行模式：嵌入用户进程执行模式：操作系统核心程序通操作系统核心程序通过中断过中断/例外机制启动运行，但运行于被打断进例外机制启动运行，但运行于被打断进程的核心栈上程的核心栈上,其并发性较好。本书以后对操作其并发性较好。本书以后对操作系统知识的描述都是基于这种模式。系统知识的描述都是基于这种模式。微内核模式：微内核模式：核心程序只包含中断处理核心程序只包含中断处理,系统调用总控系统调用总控,进程调度等功能进程调度等功能,其他功能其他功能由用户态运行的系统进程实现由用户态运行的系统进程实现,这种结构这种结构开销很大。开销很大。用户用户进程进程用户用户进程进程用户用户进程进程系统系统进程进程系统系统进程进程进程切换（微内核）进程切换（微内核）.c.c.操作系统功能以系统进程运行操作系统功能以系统进程运行2.4 系统调用 凡是涉及操作系统核心管理资源的操作凡是涉及操作系统核心管理资源的操作必须由系统调用实现。必须由系统调用实现。1.1.主要系统调用主要系统调用进程管理进程管理:创建进程创建进程 pid=fork()pid=fork()终止进程终止进程 exit(status)exit(status)等待子进程结束等待子进程结束 pid=waitpid(pid,pid=waitpid(pid,)替换进程映像替换进程映像 s=execve(name,s=execve(name,)文件管理文件管理:创建文件创建文件 fd=creat(name,fd=creat(name,)打开文件打开文件 fd=open(name,fd=open(name,)读文件读文件 n=read(fd,buffer,nbyte)n=read(fd,buffer,nbyte)写文件写文件 n=write(fd,buffer,nbyte)n=write(fd,buffer,nbyte)移动文件指针移动文件指针 pos=lseek(fd,offset,pos=lseek(fd,offset,)关闭文件关闭文件 s=close(fd)s=close(fd)存储管理：存储管理：动态申请动态申请/释放存储空间等；释放存储空间等；其他：其他：设置设置/获得时间等。获得时间等。用户编程时不一定直接调用用户编程时不一定直接调用“系统调系统调用用”函数，而是调用更高层的库函数，如函数，而是调用更高层的库函数，如win32的的API函数。函数。2.自陷指令(trap)系统调用是一种特殊形式的转子程序方法系统调用是一种特殊形式的转子程序方法,它导致处理机态的变化它导致处理机态的变化,为了方便编程，一为了方便编程，一般提供系统调用库，由其中的子程序来组织般提供系统调用库，由其中的子程序来组织系统调用系统调用,用户程序调系统调用库的子程序。用户程序调系统调用库的子程序。系统调用库程序一般格式为：系统调用库程序一般格式为：.(传给核心参数按约定填入寄存器传给核心参数按约定填入寄存器)trap.(从约定的寄存器中获得核心返回值）从约定的寄存器中获得核心返回值）.return系统调用库子程序功能：将要传给内核的系统调用库子程序功能：将要传给内核的参数按与操作系统的约定填入寄存器，然参数按与操作系统的约定填入寄存器，然后执行后执行traptrap指令指令,之后执行指令从与操作之后执行指令从与操作系统约定的寄存器中获得返回值系统约定的寄存器中获得返回值,安排好安排好状态返回上级程序。状态返回上级程序。处理机执行处理机执行traptrap指令会导致控制转到操作指令会导致控制转到操作系统的系统的traptrap处理程序入口处理程序入口,trap,trap处理程序处理程序获得参数后获得参数后,按系统调用入口表转移。按系统调用入口表转移。参数传递的一般形式如下：参数传递的一般形式如下：1 1）用寄存器传递参数。）用寄存器传递参数。2 2）TrapTrap指令自带参数。指令自带参数。TrapTrap指令是一条指令是一条长指令长指令,内核通过断点内核通过断点pcpc值加偏移获得参值加偏移获得参数。数。系统调用各模块关系图异步调用接口系统调用接口用户程序系统调用库内核总控系统调用处理总控Write处理磁盘控制器盘中断处理用户态核心态磁盘驱动程序用户程序3.系统调用实现举例系统调用的基本处理过程系统调用的基本处理过程:系统调用系统调用 write(fd,write(fd,)是一个库子程序是一个库子程序,该子程序用汇编语言编写该子程序用汇编语言编写,其中包含其中包含traptrap指指令；令；处理机运行到处理机运行到TrapTrap指令时指令时,保护现场，转保护现场，转入内核总控；入内核总控；总控进一步保护现场总控进一步保护现场,根据内中断类型转根据内中断类型转系统调用处理程序系统调用处理程序(转下页转下页)。(续上页续上页)系统调用处理程序根据系统调用号查系统系统调用处理程序根据系统调用号查系统调用入口表调用入口表,得知该系统调用参数个数及处得知该系统调用参数个数及处理程序入口地址理程序入口地址,获得参数并转相应获得参数并转相应writewrite处处理程序；理程序；writewrite处理程序将数据从用户缓冲区考入处理程序将数据从用户缓冲区考入内核的系统缓冲区内核的系统缓冲区,，调磁盘驱动程序启，调磁盘驱动程序启动动IOIO函数函数,驱动程序生成一个磁盘请求包驱动程序生成一个磁盘请求包,启启动磁盘传输动磁盘传输(或排入磁盘请求队列或排入磁盘请求队列),),等待传等待传输完成输完成(保护现场保护现场,这时可重新调度进程这时可重新调度进程,CPU,CPU切换到另一个进程切换到另一个进程)。(转下页转下页)磁盘磁盘I/OI/O完成即产生一个磁盘中断（完成即产生一个磁盘中断（这时这时正运行程序被中断打断正运行程序被中断打断）,启动磁盘中断处启动磁盘中断处理程序；磁盘中断处理程序清中断位理程序；磁盘中断处理程序清中断位,再从再从磁盘请求队列中取下一请求磁盘请求队列中取下一请求,启动磁盘传输；启动磁盘传输；然后找到刚完成请求的请求包然后找到刚完成请求的请求包,标志成完成标志成完成状态状态(这时先前进程从阻塞变成就绪这时先前进程从阻塞变成就绪,可被调可被调度占用处理机度占用处理机)，恢复相应栈中的现场，恢复相应栈中的现场,转转writewrite系统调用的后续处理程序系统调用的后续处理程序.write write处理程序处理结束后返回处理程序处理结束后返回,系统调用系统调用处理总控程序将此次服务结果存入约定好的处理总控程序将此次服务结果存入约定好的寄存器寄存器(或现场区或现场区)；返回总控（返回总控（这时会进行处理机调度这时会进行处理机调度）,恢恢复现场复现场,用户程序继续运行。用户程序继续运行。异步调用接口系统调用接口用户程序系统调用库内核总控系统调用处理总控Write处理磁盘控制器盘中断处理用户态核心态磁盘驱动程序用户程序2.5 命令语言与窗口用户界面命令语言与窗口用户界面2.5.1 通信语言(命令语言/作业控制语言)它是控制作业流程的用户界面它是控制作业流程的用户界面,由语言解释器由语言解释器解释执行命令。解释执行命令。UNIXUNIX启动一个解释器，其执行的过程如下启动一个解释器，其执行的过程如下:系统启动时，系统启动时，1 1号进程为每个终端生成一个号进程为每个终端生成一个ttytty进程进程,让其运行登录程序；让其运行登录程序；用户输入用户输入IDID及口令及口令,验证完用户后验证完用户后,转去执转去执行行shellshell解释器；解释器；由解释器处理用户输入命令。由解释器处理用户输入命令。ShellShell解释器流程解释器流程（功能为解释执行功能为解释执行shellshell命令）命令）如下：如下：通过发通过发“从终端读从终端读”系统调用接收输入；系统调用接收输入；直接处理一些控制语句和简单命令；直接处理一些控制语句和简单命令；对不能识别的命令关键字对不能识别的命令关键字,则到则到PATHPATH环境变量环境变量所指目录中找到执行代码文件所指目录中找到执行代码文件,产生子进程去运产生子进程去运行该程序行该程序(如果命令关键字代表一个如果命令关键字代表一个scriptscript程序程序文件文件,则产生子进程去执行该文件头行中说明的则产生子进程去执行该文件头行中说明的解释器解释器,并解释执行该文件中的语句并解释执行该文件中的语句)；等子进程结束后取下一输入命令。等子进程结束后取下一输入命令。实用程序、服务程序、用户程序都是可以通过实用程序、服务程序、用户程序都是可以通过键入对应的终端命令而运行的。当用户键入命键入对应的终端命令而运行的。当用户键入命令解析程序不认识的命令关键字时，命令解析令解析程序不认识的命令关键字时，命令解析程序去寻找与命令关键字同名的文件执行。程序去寻找与命令关键字同名的文件执行。系系统主要的实用程序有：统主要的实用程序有：1.1.编辑器。供用户建立和修改文本文件。它会编辑器。供用户建立和修改文本文件。它会提供一组内部编辑命令。提供一组内部编辑命令。2.2.编译器和装配器。实现编译源程序、连接模编译器和装配器。实现编译源程序、连接模块、装配目标程序等的功能。块、装配目标程序等的功能。3.3.文件及文件系统相关的实用程序。如文件拷文件及文件系统相关的实用程序。如文件拷贝、打印，以及文件系统装卸等实用程序。贝、打印，以及文件系统装卸等实用程序。4.4.显示系统进程和资源状态的实用程序。显示系统进程和资源状态的实用程序。5.5.用户管理程序。如用户加入删除、口令修改用户管理程序。如用户加入删除、口令修改等功能。等功能。用户命令与系统调用的关系：用户命令与系统调用的关系：1.1.用户命令对应的实用程序用户命令对应的实用程序(包括命令解包括命令解释器本身释器本身)在用户态运行在用户态运行,而系统调用处理程而系统调用处理程序在核心态运行序在核心态运行.2.2.实用程序在运行过程中可能会调用系实用程序在运行过程中可能会调用系统调用程序统调用程序.3.3.用户命令是用户操作接口用户命令是用户操作接口,系统调用是系统调用是用户与操作系统之间的编程接口。用户与操作系统之间的编程接口。2.5.2 图形化的用户界面 所有命令行都用图符、菜单来表示所有命令行都用图符、菜单来表示,参数参数则通过窗口提示用户选择或输入；则通过窗口提示用户选择或输入；命令解释器变成了图形化的程序管理器。命令解释器变成了图形化的程序管理器。