操作系统原理2 华中科技大学.ppt

华中理工大学计算机学院 李胜利 第二章 操作系统的逻辑结构 第二章 操作系统的逻辑结构2.1 概述 为提高计算机系统资源的使用效率和方便用户在计算机系统中必须配备操作系统. 操作系统是一个大型的软件，规模庞大、结构复杂。操作系统必须是一个清晰、正确的逻辑结构。 结构设计是软件界权威Dijkstra , E. W . (菏兰人）提出的一种程序设计的方法。 第二章 操作系统的逻辑结构2..1 概述 2.1 概述2.1.2 操作系统逻辑结构 左图既可看成是一个多层虚拟机结构，也可是通常操作系统的逻辑结构。 在2.5节将看到UNIX系统的结构 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 （一）处理机的状态 在计算机系统中有两类程序运行： 用户程序 系统程序 用户程序、系统程序执行时有不同的权限。 根据对系统资源和机器指令的使用权限，把处理机执行时的 工作状态分为核态和用户态，有的操作系统还将系统程序执 行时的机器的状态又分为核态和管态。 其权限次序是：核态、管态、用户态。 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 （一）处理机的状态 核态（Kernel Mode)： CPU执行操作系统程序时所处的状态。 在此状态下允许CPU使用全部资源和全部指令，其中包括一组特权指令（如涉及外设的I/O、改变处理机状态、修改存储保护的指令），实现对系统资源的分配与管理，为用户提供使用外部设备的服务。 管态比核态的权限低，在此状态下允许使用一些用户态下不能使用的资源，但不能使用修改CPU状态的指令。无核态时，管态执行核态的全部功能。 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 用户态(User Mode)： 用户程序执行时CPU所处的状态。在此状态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的存储空间。 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 （一）处理机的状态 当CPU执行用户程序时，CPU机处于用户态，在执行的过程中出现了中断（或自陷）时，系统转去处理与中断有关的事件，这时cpu由用户态转换成核态（或管态），处理完中断后，返回断点继续执行用户程序，这时cpu由核态转换成用户态。 右图是UNIX系统环境下处理机状态转换图，在UNIX系统中，把核态称为核心态 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 二、特权指令集 在核态下操作系统可以使用所有指令，包括一组特权指令。 允许和禁止中断； 在进程之间切换处理机； 存取用于内存保护的寄存器； 执行输入和输出操作； 停止一个中央处理机的工作。 2.2 基本硬件结构 2.2.1 处理机状态及特权指令 二、特权指令集 在下列情况下，由用户态转向核态： 用户程序要求操作系统的服务，系统调用； 发生一次中断； 在用户程序中产生了一个错误的状态； 在用户程序中企图执行一条特权指令； 从核态转回用户态用一条指令实现，这条指令也是特权指令。一般情况下是中断返回指令。 2.2 基本硬件结构2.2.2 存储器 主存储器（主存、内存）： 央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。 辅存储器（辅存、外存）： 中央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。 2.2 基本硬件结构2.2.2 存储器 （一）主存储器的类型 随机访问存储器 RAM（random access memory) 只读存储器ROM(Read-only memory) 在微机中有这两种类型的存储，一种是ROM称为BIOS，用来存放基本的I/O程序。 另一种是RAM，通常所说的64MB、128MB （二）存储器组织（略） （三）存储保护（略） 2.2 基本硬件结构2.2.3 时钟 时钟是操作系统运行时必不可少的硬设施，它以固定的时间间隔产生中断信号，这对于实施进程调度、计算系统资源的消耗、实时控制等功能是必不可少的。 在操作系统中需时钟支持的工作有： 分时系统调度； 实时控制； 提供用户和系统所需的绝对时间（日历时钟、墙钟）。 2.2 基本硬件结构2.2.4 中断与俘获 （一）中断概念 中断是指某个事件（例如，电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传输完成或出错等）发生时，系统中止现运行程序的执行，引出处理事件程序对相应事件进行处理，处理完毕后返回断点继续执行。 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，