操作系统原理第二章：操作系统结构
目錄
- 1 計(jì)算機(jī)硬件
- 1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
- 1.2 中斷機(jī)制
- 1.3 I/O操作
- 2 硬件保護(hù)
- 2.1 實(shí)現(xiàn)保護(hù)兩狀態(tài)操作
- 2.2 CPU保護(hù)
- 3 操作系統(tǒng)服務(wù)
- 3.1 提供的服務(wù)
- 4 系統(tǒng)調(diào)用
- 4.1 系統(tǒng)調(diào)用的處理過程
- 4.2 系統(tǒng)調(diào)用傳遞參數(shù)的方式
- 4.3 系統(tǒng)調(diào)用的分類
- 5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
- 5.1 層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
- 5.2 微內(nèi)核
1 計(jì)算機(jī)硬件
1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)的多種設(shè)備都是通過系統(tǒng)總線 (system bus) 連接在一起，這樣就構(gòu)成了一個(gè)基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如下圖，可以發(fā)現(xiàn)圖中有很多的控制器 (controller)，事實(shí)上每個(gè)設(shè)備都對應(yīng)著一個(gè)控制器 (controller)。
在這樣的體系結(jié)構(gòu)下，有如下特征：
- I/O 設(shè)備與 CPU 可并行運(yùn)行；
- 每一設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一個(gè)設(shè)備類型；
- 每一設(shè)備控制器有一局部緩存 (local buffer)；
- CPU 通過局部緩存與主存交換數(shù)據(jù)；
- I/O 從設(shè)備到設(shè)備控制器有局部緩存；
- 設(shè)備控制器通過引起中斷 (interrupt) 通知 CPU 操作已完成。
1.2 中斷機(jī)制
中斷指的是 CPU 在執(zhí)行程序的時(shí)候出現(xiàn)了某些異常突發(fā)情況，需要緊急處理，CPU 必須暫停當(dāng)前的任務(wù)去處理緊急突發(fā)事件，處理完之后又返回原程序被打斷的地方去繼續(xù)執(zhí)行，中斷通常分為以下兩種：
- 硬件中斷 (hardware interrupt)：設(shè)備控制器通知 CPU 它所做的操作已經(jīng)完成，會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷；
- 軟件中斷 (software interrupt)：一種是異常，指的是系統(tǒng)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，如除 000 操作或無效的內(nèi)存訪問，另一種是系統(tǒng)調(diào)用 (system call)。
為什么需要中斷呢？為什么有了中斷后就能實(shí)現(xiàn)多道呢？如下圖，用戶程序一開始是在 CPU 上執(zhí)行的，當(dāng)執(zhí)行到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)候（圖中橫軸 transfer done）會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，CPU 在延遲一點(diǎn)時(shí)間后會(huì)收到這個(gè)中斷，收到中斷后會(huì)去處理這個(gè)中斷，也就是會(huì)從高電平的 user process executing 跳到低電平 I/O interrupt processing，中斷處理完成后又會(huì)回到原來的用戶程序繼續(xù)執(zhí)行，有了這樣的中斷機(jī)制帶來的好處是在 CPU 執(zhí)行的過程中，I/O 設(shè)備也在執(zhí)行，能夠使系統(tǒng)更高效，響應(yīng)性更好
為什么說有了通道技術(shù)和中斷機(jī)制后才真正地實(shí)現(xiàn)了多道？
- 通道是一種控制外部設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)，它獨(dú)立于 CPU 運(yùn)行，因此 I/O 操作能和 CPU 并行運(yùn)行，但以前CPU 依然要發(fā)送指令詢問通道是否完成工作，若未完成，CPU 則要一直詢問直到通道工作完成，雖然引入通道技術(shù)提高了效率，但是并未實(shí)現(xiàn)真正的多道并行；
- 中斷和通道結(jié)合起來就實(shí)現(xiàn)了多道，CPU 啟動(dòng)通道傳輸數(shù)據(jù)后便去執(zhí)行其他程序的計(jì)算工作，而通道則進(jìn)行輸入輸出操作；當(dāng)通道工作結(jié)束時(shí)，通過中斷機(jī)構(gòu)向 CPU 發(fā)出中斷請求，CPU 則暫停正在執(zhí)行的操作，對出現(xiàn)的中斷進(jìn)行處理，處理完后則繼續(xù)原來的工作，這樣，就真正做到了 CPU 與 I/O 設(shè)備并行工作。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的，中斷將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)程序，所謂中斷服務(wù)程序就是中斷出現(xiàn)后要去執(zhí)行處理的那一段程序代碼，實(shí)現(xiàn)控制權(quán)轉(zhuǎn)移的方法如下：
- 在中斷服務(wù)程序中有單獨(dú)的一段代碼，來確定當(dāng)前中斷屬于哪種類型的中斷；
- 會(huì)有一個(gè)通用的歷程去檢查中斷信息，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，就會(huì)調(diào)用中斷服務(wù)程序；
- 當(dāng)檢查到中斷時(shí)，要求能快速處理，這里的實(shí)現(xiàn)方法是利用中斷向量 (interrupt vector)，中斷向量就存儲了服務(wù)歷程的地址。
下面的表列出了常見的中斷向量，中斷號及其功能：
| 00~03 | 0 | 除法溢出中斷 |
| 04~07 | 1 | 單步 (用于DEBUG) |
| 08~0B | 2 | 非屏蔽中斷 (NMI) |
| 0C~0F | 3 | 斷點(diǎn)中斷 (用于DEBUG) |
| 10~13 | 4 | 溢出中斷 |
| 14~17 | 5 | 打印屏幕 |
| 18~1F | 6，7 | 保留 |
1.3 I/O操作
使用 I/O 操作需要具備以下條件：
- 設(shè)備與設(shè)備控制器相連；
- 本地緩沖器，一組寄存器；
- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
有兩種常見的 I/O 操作：
- 同步 (Synchronous)：當(dāng)啟動(dòng) I/O 操作時(shí)，直到 I/O 操作結(jié)束后，控制權(quán)才會(huì)返回到用戶程序，也就是說你運(yùn)行了一個(gè)程序，但突然觸發(fā)了 I/O，那么你的程序要等待這次 I/O 操作結(jié)束后，才會(huì)運(yùn)行；
- 異步 (Asynchronous)：當(dāng)啟動(dòng) I/O 操作時(shí)，控制權(quán)會(huì)立馬轉(zhuǎn)到用戶程序，那么此時(shí) I/O 操作是否運(yùn)行結(jié)束是通過中斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。
下圖是同步和異步的比較：
2 硬件保護(hù)
當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程中，計(jì)算機(jī)硬件需要提供一些支持能夠保證計(jì)算機(jī)能夠正確的運(yùn)行，在早期的操作系統(tǒng)中為單用戶系統(tǒng)，程序員可完全控制系統(tǒng)，在后來的批處理操作系統(tǒng)中，通過讀取卡片來錄入程序和數(shù)據(jù)，此時(shí)有可能會(huì)把其他程序當(dāng)作當(dāng)前程序的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去了，在這個(gè)時(shí)候就需要提供一些保護(hù)，而后的多道批處理系統(tǒng)就更為復(fù)雜，它運(yùn)行多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，多個(gè)程序競爭某些資源，當(dāng)一個(gè)程序在執(zhí)行過程中，它有可能會(huì)修改到其他程序的代碼或數(shù)據(jù)，甚至可能會(huì)修改操作系統(tǒng)，這時(shí)為了能夠讓計(jì)算機(jī)正確執(zhí)行，必須提供一些保護(hù)。
那么解決的方法就是當(dāng)程序在執(zhí)行非法指令或訪問不屬于自己的地址空間內(nèi)存時(shí)把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，甚至情況嚴(yán)重時(shí)可以直接終止程序。
2.1 實(shí)現(xiàn)保護(hù)兩狀態(tài)操作
共享系統(tǒng)資源要求操作系統(tǒng)確保當(dāng)前程序不會(huì)引起其他程序的運(yùn)行錯(cuò)誤，我們的方法是兩狀態(tài)操作，即至少在兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)之間提供硬件支持：
- 用戶態(tài) (User mode)：代表用戶執(zhí)行；
- 管態(tài)，特權(quán)模式或系統(tǒng)模式 (Monitor mode)：代表操作系統(tǒng)執(zhí)行。
那么計(jì)算機(jī)是如何區(qū)分這兩種狀態(tài)呢？在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的方法很簡單，只需要一個(gè)位的 0 和 1 就可以區(qū)分，這個(gè)位叫做模式位 (mode bit) ，表示當(dāng)前模式 monitor (0) or user (1)，這個(gè)模式位可以放在 PSW 中（PSW 是 Program Status Word 的縮寫，即程序狀態(tài)字），當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)時(shí)，硬件處于管態(tài)，在用戶模式下執(zhí)行用戶進(jìn)程，如下圖：
若在用戶程序中出現(xiàn)了問題，就會(huì)觸發(fā)中斷，出現(xiàn)中斷或陷阱，硬件切換到管態(tài)，一旦切換到管態(tài)，控制權(quán)就轉(zhuǎn)交給了操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來處理這些中斷錯(cuò)誤信息，那么操作系統(tǒng)如何知道用戶程序執(zhí)行了非法操作呢？在操作系統(tǒng)中把只能由管態(tài)執(zhí)行的指令稱為特權(quán)指令 (Privileged instructions)，若用戶程序執(zhí)行到了特權(quán)指令，那么就可判斷當(dāng)前操作為非法操作，可能會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤，但是有時(shí)候用戶程序要執(zhí)行特權(quán)指令怎么辦？操作系統(tǒng)中提供了系統(tǒng)調(diào)用 (system call) 方式，可以讓用戶程序合法的使用特權(quán)指令，系統(tǒng)調(diào)用實(shí)際上會(huì)觸發(fā)軟中斷，那么就會(huì)從用戶態(tài)切換到了管態(tài)，控制權(quán)也轉(zhuǎn)交給了操作系統(tǒng)。在處于管態(tài)下，特權(quán)指令是可以直接執(zhí)行的。
使用這種方法，也可以對所有的 I/O 操作進(jìn)行保護(hù)，我們把所有的 I/O 操作定義為特權(quán)指令，用戶不能直接用 I/O 指令，必須通過系統(tǒng)調(diào)用，確保用戶程序不能在管態(tài)下控制計(jì)算機(jī)，下圖是系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行 I/O 操作的過程：
既然系統(tǒng)調(diào)用是通過軟中斷來實(shí)現(xiàn)的，那么也要保護(hù)中斷機(jī)制不能被破壞，所以必須保護(hù)中斷向量和中斷服務(wù)程序，而程序都是在內(nèi)存中，所以問題也轉(zhuǎn)換為了對某些內(nèi)存的保護(hù)，因此要?jiǎng)澐诌M(jìn)程能夠運(yùn)行的合法空間，劃分合法空間用到了兩個(gè)寄存器，通俗來講這兩個(gè)寄存器就是來劃分合法空間地址的起點(diǎn)和空間的大小，有了這兩個(gè)值，那么就唯一確定了這一塊內(nèi)存空間：
- 基址寄存器 (base register)：指出起始地址；
- 界限寄存器 (limit register)：指出空間大小。
如下圖的 job2 就被兩個(gè)寄存器唯一確定了：
在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，CPU每得到一個(gè)地址，都需要去檢測該地址的合法性，流程圖如下：
2.2 CPU保護(hù)
需防止用戶程序陷入死循環(huán)或者不調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)且不將控制權(quán)返回到操作系統(tǒng)，解決的方法就是使用定時(shí)器 (timer)，也就是說當(dāng)從管態(tài)切換到用戶態(tài)時(shí)，設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器時(shí)間到的時(shí)候就會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷，那么控制權(quán)就會(huì)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)又重新獲得了控制權(quán)。
3 操作系統(tǒng)服務(wù)
操作系統(tǒng)是覆蓋在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)上的第一層軟件，對于這個(gè)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，必須清楚其設(shè)計(jì)的目標(biāo)是什么，應(yīng)該提供哪些服務(wù)，通常會(huì)考慮以下三個(gè)方面：
- 提供的服務(wù) (services it provides)；
- 為用戶和程序提供的接口 (interface to users and programmers)；
- 各組成部分及其相互連接 (components and their interconnections)。
3.1 提供的服務(wù)
針對用戶要提供的服務(wù)：
- 用戶接口 (User interface)：通過這些接口，用戶能夠訪問到操作系統(tǒng)提供的功能，幾乎所有的操作系統(tǒng)都有用戶接口，常見的表現(xiàn)形式分為命令行 Command-Line (CLI) 和 圖形用戶界面 Graphics User Interface (GUI)；
- 執(zhí)行程序 (Program execution)：能夠把程序調(diào)入內(nèi)存，并轉(zhuǎn)交給 CPU 處理的能力；
- I/O操作 (I/O operations)：由于用戶程序不能直接執(zhí)行 I/O 操作，操作系統(tǒng)必須提供手段完成 I/O 操作；
- 文件系統(tǒng)操作 (File-system manipulation)：讀、寫、創(chuàng)建和刪除文件的能力；
- 通信 (Communications)：運(yùn)行的進(jìn)程在同一計(jì)算機(jī)或由網(wǎng)絡(luò)連接的不同系統(tǒng)中交換信息。通過共享存儲器或消息傳遞實(shí)現(xiàn)；
- 錯(cuò)誤檢測 (Error detection)：探測在 CPU 與內(nèi)存硬件中，在 I/O 設(shè)備中，或在用戶程序中的錯(cuò)誤，確保正確運(yùn)算。
針對提高系統(tǒng)效率要提供的服務(wù)：
- 資源分配 (Resource allocation)：把資源分配給多個(gè)用戶或多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的作業(yè)；
- 帳務(wù) (Accounting)：跟蹤和記錄用戶對資源的使用，用于帳單和統(tǒng)計(jì)哪些資源已經(jīng)分配出去了，哪些資源是可用的等等；
- 保護(hù) (Protection)：確保對資源的所有訪問均在控制中。
下圖是整個(gè)操作系統(tǒng)提供的服務(wù)結(jié)構(gòu)圖：
4 系統(tǒng)調(diào)用
根據(jù)上面的服務(wù)結(jié)構(gòu)圖可以找到 system calls，他處在的位置是操作系統(tǒng)眾多服務(wù)之上，用戶接口之下，它的功能就是給用戶提供方法來使用系統(tǒng)服務(wù)，系統(tǒng)調(diào)用提供在運(yùn)行程序和操作系統(tǒng)之間的接口，系統(tǒng)調(diào)用由于接近底層，不方便使用 ，并且不同的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用使用都有差別，所以實(shí)際上大多數(shù)程序員在開發(fā)時(shí)都是直接使用 API ( level Application Program Interface)，API 實(shí)際上就是系統(tǒng)調(diào)用的封裝，里面可能封裝了一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，常見的系統(tǒng) API 有 Win32 API for Windows，Java API for the Java virtual machine (JVM) 等等。
4.1 系統(tǒng)調(diào)用的處理過程
系統(tǒng)調(diào)用的處理過程如下：
不同的系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)著不同的子程序代碼段，我們通過入口地址表，使每個(gè)入口地址與相應(yīng)的系統(tǒng)程序?qū)?yīng)，陷入處理程序用系統(tǒng)調(diào)用功能號查找入口地址表，得到該系統(tǒng)程序的入口地址，并執(zhí)行之，系統(tǒng)調(diào)用處理結(jié)束后，要恢復(fù)處理機(jī)現(xiàn)場，從而用戶程序可以繼續(xù)執(zhí)行，過程如下圖所示：
4.2 系統(tǒng)調(diào)用傳遞參數(shù)的方式
在系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，難免需要傳遞一些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定的功能，有三種常用方式用于在運(yùn)行程序和操作系統(tǒng)之間的參數(shù)傳遞：
- 寄存器中的參數(shù)傳遞，寄存器容量較小，故只適用于少量且小的參數(shù)傳遞；
- 參數(shù)存在內(nèi)存的一張表中，表地址作為寄存器的參數(shù)傳遞，如下圖所示，若傳遞的參數(shù)比較大的時(shí)候，先把參數(shù)放到內(nèi)存里，這些參數(shù)在內(nèi)存中的地址就放在寄存器 (register) 中，當(dāng)使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)就會(huì)查找寄存器然后取出地址再轉(zhuǎn)到內(nèi)存中去尋找參數(shù)：
- 程序把參數(shù)壓入棧，由操作系統(tǒng)彈出。
4.3 系統(tǒng)調(diào)用的分類
系統(tǒng)調(diào)用的分類如下：
- 進(jìn)程控制 (process control)；
- 文件管理 (file management)；
- 設(shè)備管理 (device management)；
- 信息維護(hù) (information maintenance )；
- 通信 (communications)。
5 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
這一節(jié)主要討論的問題是操作系統(tǒng)中各個(gè)組件之間的關(guān)系，操作系統(tǒng)的早期非常簡單，如 MS-DOS 以最小的空間提供最多的功能，它并不劃分模塊。
在 MS-DOS 中，應(yīng)用程序可直接訪問 BIOS 例程，來直接操縱設(shè)備，當(dāng)然這受限于當(dāng)時(shí)的硬件，Intel8088 沒提供雙模式和硬件保護(hù)，這使得 DOS 別無選擇只能任由應(yīng)用程序訪問 BIOS，如下圖所示：
而在 UNIX 中，受硬件功能限制，早期 UNIX 只是有限的結(jié)構(gòu)化。UNIX包括2個(gè)分離的部分：
- 系統(tǒng)程序 (Systems programs )；
- 內(nèi)核 (The kernel)：包括了在物理硬件之上，系統(tǒng)調(diào)用之下的一切。提供文件系統(tǒng)， CPU調(diào)度，存儲管理，和其他操作系統(tǒng)功能 ；每一層有大量的功能，如下圖所示：
5.1 層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)劃分為若干層，在低層上構(gòu)建高層。底層（000 層）為硬件，最高層（ NNN 層）為用戶層，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮模塊化，層的選擇是每層只使用低層次的功能和服務(wù)，由此分層的基本原則是每一層都使用其底層所提供的功能和服務(wù)，以便于系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)證，如下圖所示：
最早使用層次化操作系統(tǒng)的是 THE 操作系統(tǒng)，它有如下六層：
分層有如下優(yōu)點(diǎn)：
- 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，便于調(diào)試、利于功能的增刪改；
- 調(diào)用關(guān)系清晰（高層對低層單向依賴），避免遞歸調(diào)用，有利于保證設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性。
分層有如下缺點(diǎn)：
- 系統(tǒng)中所有進(jìn)程的控制轉(zhuǎn)移、通訊等任務(wù)全部交給系統(tǒng)的核心去管理，要花費(fèi)一定的代價(jià)。
5.2 微內(nèi)核
微內(nèi)核 (Microkernels) 對層次進(jìn)行進(jìn)一步的劃分，通過劃分系統(tǒng)程序和用戶程序，把所有不必要的部件移出內(nèi)核，形成一個(gè)小內(nèi)核，微內(nèi)核提供最少量的進(jìn)程管理、存儲管理，以及通信功能。
微內(nèi)核操作系統(tǒng)由兩大部分組成：
- 運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核，即保留下來的核心功能；
- 運(yùn)行在用戶態(tài)并以 C/S 方式運(yùn)行的進(jìn)程層，即移出去的不必要功能。
移出去的功能通過一種 Server 運(yùn)行，如下圖所示：
微內(nèi)核與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，有如下特點(diǎn)：
- 內(nèi)核精巧：通常內(nèi)核只由任務(wù)管理、虛存管理和進(jìn)程間通信 333 個(gè)部分組成。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中的許多部分都被移出內(nèi)核，采取服務(wù)器方式實(shí)現(xiàn)；
- 面向多處理機(jī)和分布式系統(tǒng)：基于微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，在內(nèi)核中引入了多處理機(jī)調(diào)度和管理機(jī)制，并引入了細(xì)粒度并發(fā)機(jī)制，即線程，使得多個(gè)處理機(jī)可以在同一個(gè)任務(wù)中并行地執(zhí)行；
- 基于客戶／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)：在微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中，任務(wù)間通信機(jī)制，消息機(jī)制是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)的各種功能都以服務(wù)器方式實(shí)現(xiàn)，向用戶提供服務(wù)。用戶對服務(wù)器的請求是以消息傳遞的方式傳給服務(wù)器的。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统原理第二章：操作系统结构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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