2-2 操作系统结构与界面

主要内容回顾中断/异常结构(激发操作系统内核程序运行）•中断/异常的分类•中断的分级中断/异常响应和处理•中断/异常响应•中断/异常处理过程第四讲操作系统结构与用户接口目的与要求:了解典型操作系统结构及用户使用操作系统的方法。重点与难点：嵌入用户进程执行模式结构；命令解释器及系统调用实现。作业：8，9,10,112.3操作系统运行模型操作系统核心的主要功能模块如下:•系统初始化模块：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.•进程管理模块：处理进程类系统调用（如进程创建/结束等）；进程调度.•存储管理模块：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）；虚存系统缺页异常时调入页面处理.•文件管理模块.处理文件类系统调用.•外设管理模块.负责外设驱动,中断处理.操作系统三种模型:•独立运行的内核:用户程序与核心程序在分离的运行环境中运行,核心程序作为一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/异常机制启动运行。内核用户进程用户进程用户进程a.独立内核模式...用户进程用户进程用户进程内核程序b.操作系统嵌入用户进程中运行进程切换•嵌入用户进程执行模式:操作系统核心程序通过中断/例外机制启动运行，但运行于被打断进程的核心栈上,内核程序执行并发性好。本书以后对操作系统知识的描述都是基于这种模式•微内核模式:核心程序只包含中断处理,系统调用总控,进程调度等功能,其他功能由用户态运行的系统进程实现,这种结构开销很大.用户进程用户进程用户进程系统进程系统进程进程切换（微内核）......c.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必须由系统调用实现一.主要系统调用:进程管理:•创建进程pid=fork()•终止进程exit(status)•等待子进程结束pid=waitpid(pid,…)•替换进程映像s=execve(name,…)文件管理:•创建文件fd=creat(name,…)•打开文件fd=open(name,…)•读文件n=read(fd,buffer,nbyte)*•写文件n=write(fd,buffer,nbyte)•移动文件指针pos=lseek(fd,offset,…)•关闭文件s=close(fd)存储管理:动态申请/释放存储空间等其它:设置/获得时间等*用户编程时不一定直接调用“系统调用”函数，而是调用更高层的库函数，如win32的API函数、C库函数。二.自陷指令(trap)•系统调用是一种特殊形式的转子方法,他导致处理机态的变化,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系统调用,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：...(传给核心的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）.return•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后执行trap,trap指令后的指令从与操作系统约定的寄存器中获得返回值,设置好返回状态返回上级程序。•处理机执行trap指令会导致控制转到操作系统内核的trap处理程序入口,trap处理程序获得参数,按系统调用入口表散转.•参数传递的一般形式：1.用寄存器传递参数.2.Trap指令自带参数,Trap指令是一条长指令,内核通过断点PC值加偏移获得参数*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三.系统调用实现举例系统调用的基本处理过程:•系统调用write(fd,…)是一个库子程序,该子程序用汇编语言写,其中包含trap指令.•处理机运行到trap指令,保护现场,转入内核总控•总控进一步保护现场,根据例外类型转系统调用处理程序(转下页)*(续上页)•系统调用处理程序根据系统调用号查系统调用入口表,得知该系统调用参数个数及处理程序入口地址,获得参数并转相应write处理程序•write处理程序将数据从用户缓冲区考入内核的系统缓冲区,…,调磁盘驱动程序的启动I/O函数,驱动程序生成一个磁盘请求包,启动磁盘传输(或排入磁盘请求队列),等待传输完成(保护现场,这时可重新调度进程,CPU切换到另一个进程…)(转下页)*•磁盘I/O完成,产生一个磁盘中断,（这时正运行进程程序被中断打断）启动磁盘中断处理程序,磁盘中断处理程序清中断位,再从磁盘请求队列中取下一请求,启动磁盘传输.然后找到刚完成请求的请求包,标志成完成状态，(这时先前进程从阻塞变成就绪,可被调度占用处理机)恢复相应栈中的现场,转write系统调用的后续处理程序...•write处理程序处理结束后返回,系统调用处理总控程序将此次服务结果存入约定好的寄存器(或现场区)•返回内核总控（这时会进行处理机调度）,恢复现场,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2.5.1命令语言(通讯语言/作业控制语言)•它是控制作业流程的用户界面,由语言解释器解释执行命令。•UNIX启动一个解释器执行的过程:•系统启动时1号进程为每个终端生成一个tty进程,让其运行登录程序•用户输入ID及口令,验证完用户后,转去执行shell命令解释器•由解释器处理用户输入命令*•Shell解释器流程：（功能:解释执行shell命令）•通过发“从终端读”系统调用接收输入•直接处理一些控制语句,简单命令•对不识别的命令关键字,到PATH环境变量所指目录中找到执行代码文件,产生子进程去运行该程序.(如果命令关键字代表一个script程序文件,则产生子进程去执行该文件头行中说明的解释器,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*.•实用程序；服务程序；用户程序都是可以通过拍入对应的终端命令而运行的。当用户拍入命令关键字，命令解析程序不认识时，命令解析程序去寻找与命令关键字同名的文件执行。系统主要的实用程序有：1.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。2.编译器和装配器。实现编译源程序、链接模块、装配目标程序等功能。3.文件及文件系统相关的实用程序。文件的拷贝，打印，文件系统装卸等实用程序。4.显示系统进程，资源状态的实用程序。5.用户管理。如用户加入删除，口令修改。•用户命令与系统调用的关系1.用户命令对应的实用程序(包括命令解释器本身)在用户态运行,而系统调用处理程序在核心态运行.2.实用程序在运行过程中可能会调用系统调用.3.用户命令是用户操作接口,系统调用是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•用图符,菜单来替换命令行表示,参数则通过窗口,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。•应用程序都提供图形使用界面*