02-03操作系統結構（OS_Structure）


[]陳述：
1.IO設備與CPU可并行運行。
2.每一個設備控制器負責一個設備類型。
3.每一個設備控制器有一個局部緩存。
4.CPU通過局部緩存與主存交換數據。
5.設備控制器通過引起中斷通知CPU操作已完成。


[]中斷機制：中斷使得系統更加高效同時反應更為迅速。
分為硬件中斷（hardware interrupt）和軟件中斷（software interrupt 陷阱）
1.硬件中斷如 disk，timer，etc。
2.軟件中斷如?
異?！?，非法內存訪問
之類的system? call——read()，write()
重點名詞：
interrupt driven：中斷驅動，現代的操作系統都是中斷驅動的。
interrupt handler：中斷服務程序
interrupt vector：中斷向量，是中斷服務程序的入口地址。


[]IO結構
1、設備與設備控制器相連
2、IO操作分為同步(Synchronous)和異步(Asynchronous)兩種。
同步的含義：在IO開始以后，直到IO完成，控制權才轉交給用戶程序。
同步IO的兩種方式：busy wait method（忙等方式）和（interrupt based method）中斷方式。
忙等方式：wait instruction 和 wait loop。缺點是一次最多1個IO請求，不能同時處理多IO請求。
中斷方式：device-status table 和 wait queue。
異步的含義：在IO開始以后，不等IO完成，控制權就轉交給用戶程序。
異步的舉例：Windows message、callback function
重點名詞：
a device controller(hardware)：設備控制器，包括local buffer storage(本地緩沖器)、a set of registers(一組寄存器)
device driver：設備驅動程序。


[]DMA(Direct Memory Access)結構
1.設備控制器在本地緩沖和內存之間傳輸一整塊數據而無需CPU的干預。
2.DMA控制器從CPU竊取內存周期。
3.RAM(Random access memory)主存是CPU可以直接訪問的唯一大型存儲介質。
4.RAM的問題：small、volatile(易失性)。
5.Secondary Storage：magnetic disk(磁盤)、magnetic tape(磁帶)、floppy disks、CD—ROMs
6.速度比較 magnetic disk < main memory < cache < hardware register


[]硬件保護
當非法指令、訪問不屬于自己地址空間的內存或進程中止時，硬件陷入到OS中去。
多用戶環境下，保護磁盤上的文件、數據。
1)Dual-Mode Operation 兩狀態運行（用戶態、管態）
——共享系統資源要求操作系統確保有誤程序不會引起其他程序的錯誤。
——mode bit模式位
——出現中斷或者陷阱時，硬件切換到管態。
——Privileged instructions(特權指令)只能在管態來下運行。
——權指令令在用戶態下需要調用 system call 切換到管態下使用。
2)IO Protection IO保護
——所有的IO指令都是特權指令。
——用戶不能直接用IO指令，必須通過系統調用。
——確保用戶程序不能在管態下控制計算機。
3)Memory Protection 內存保護
——必須保護中斷向量和中斷服務程序。
——確定進程能訪問的合法空間。
——base register基址寄存器，limit register界限寄存器。
——CPU訪問的address要介于[base,base+limit]區間內。
——用戶態生成的每個地址都要經過硬件檢查。
——當在管態下的時候，操作系統可以訪問任意管態和用戶態的內存空間。
4)CPU Protection CPU保護
——OS需要防止用戶程序陷入死循環或者不調用系統服務且不將控制權返回到OS。
——timer定時器，特定周期中斷CPU以保證操作系統維持控制權。
——load-timer是特權指令。
——timer用來實現分時系統，也可以用來計算當前時間。


[]OS Services for user(操作系統服務)
1.User interface
2.Program execution
3.IO Operation
4.File-system manipulation
5.Comminications
——Msg Passing消息傳遞
——Shared Memory共享內存
6.Error dection
其他操作系統服務如Resource allocation(資源分配)、Accounting(賬務)、Protection(保護)


[]System Calls系統調用
1.系統調用提供在運行程序和操作系統之間的接口，通常以匯編語言指令形式提供。
2.系統調用的處理機構:陷入（TRAP）或異常處理機構。


3.把由于系統調用引起處理機中斷的指令稱為陷入或異常指令（或稱訪管指令）。
4.系統調用的處理流程：
1)當用戶使用系統調用時，產生一條相應的指令
2)CPU在執行到該指令時發生中斷，發出有關的信號給陷入處理機構。
3)處理機構在收到了CPU發來的信號后，啟動相關的處理程序去完成該系統調用所要求的功能
。
4)在處理系統調用之前，陷入處理機構還需保存處理機現場（PSW、PC、系統調用號、用戶棧指針、通用寄存器、用戶定義的參數等）
。


5.如何找到實現系統調用功能的子程序:入口地址表，每個入口地址與相應的系統程序對應。
6.系統調用的類型：process control、file management、device management、information maintence、communications。




[]系統程序
1.文件操作
2.狀態信息
3.文件修改
4.程序設計語言支持
5.程序調入和執行
6.通信
7.應用程序


[]系統部件
1.Process Management 進程管理
——進程是正在執行的程序。
——OS負責：進程的創建和刪除、進程的掛起和恢復，提供進程同步和進程通信機制，死鎖的處理。




2.Main Memory Management主存管理
——OS負責：保持記錄存儲器的哪一部分當前被使用以及被誰使用、當有可用存儲空間時決定調入哪個進程、需要時分配和回收存儲空間。




3.Secondary-Storage Management 二級儲存器管理
——由于主存是易失性的，而且太小不足以永久保存所有數據和程序，需要二級存儲器備份主存。
——在同磁盤管理的有關活動中，OS負責:空閑空間管理、存儲器分配、磁盤調度。




4.I/O System Management? I/O系統管理
——包括：緩沖區-高速緩存系統、通用設備驅動器接口、用于特定硬件設備的驅動程序。




5.File Management 文件管理
——OS負責：目錄和文件的創建刪除、支持操作文件和目錄的原語、把文件映像到二級存儲器、在穩定存儲介質做文件副本。




6.Protection System 保護系統
——保護是一種機制，控制程序、進程、或用戶對系統和用戶資源的訪問
。




7.Networking 網絡處理


8.Command-Interpreter System 命令解釋器系統


[]系統結構
1.簡單結構
2.層次化結構
——OS劃分為若干層，底層(0層)為硬件，最高層(N層)為用戶層。
——分層的基本原則模塊化：每層只能使用低層次的功能和服務。困難：層次的劃分和安排要保證不出現雙向依賴關系。
——分層的有點：低層和高層可分別實現。
高層的錯誤不會影響到低層，便于調試，利于功能的增刪改。
調用關系清晰避免遞歸調用。
——缺點：系統中所有的控制轉移、通訊的任務全部交給系統的核心去管理，需要花費一定的代價。


[]微內核
操作系統由兩大部分組成：
1、運行在核心態的內核。
2、運行在用戶態并以C/S方式運行的進程層。
特點：
1)內核精巧，只包含任務管理、虛存管理、進程間通信。
2)面向多處理機和分布式系統
3)基于客戶/服務器體系結構。
優點：
1)易于擴充
2)易于移植


3)提高系統的可靠性：
4)提供多種操作環境
便于實現分布計算 RPC Remote Procedure Call
缺點：
消息傳遞方式增加開銷，使響應變慢。


[]虛擬機
1.虛擬機是層次化的邏輯結果，它把硬件和操作系統都看成是硬件。
2.虛擬機為裸機提供了統一的接口。
3.操作系統創建了多個進程，每一個進程都有自己的處理器和(虛擬)內存。
4.實現方式：分時 共享

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统复习笔记 02-03 OS Structure 操作系统结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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