(二)操作系統邏輯結構-學習筆記

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二、操作系統邏輯結構

1. 操作系統的邏輯結構

• 整體式結構
  • 以模塊爲基本單位構建
  • 模塊設計、編碼和調試獨立；模塊調用自由；模塊通信多以全局變量形式完成
  • 信息傳遞隨意，維護和更新困難
• 層次結構 (類似TCP/IP協議棧)
  • 所有功能模塊按照調用次序排成若干層, 相鄰層間只有單向依賴或單向調用
• 微內核機構 （Minix OS)
  操作系統 = 微內核 + 核外服務器
  • 微內核: 足夠小，提供OS最基本的核心功能和服務
    • 實現與硬件緊密相關的處理
    • 實現一些較基本的功能
    • 負責客戶和服務器間的通信
  • 核外服務器: 完成OS的絕大部分服務功能，等待應用程序提出請求
    • 進程服務器、線程服務器，需存服務器、設備管理服務器等，以進程形式運行在用戶態。

Linux是單體內核(宏內核)

2. CPU的態

支持操作系統的最基本硬件結構

• CPU
• 內存
• 中斷
• 時鐘

CPU態(Mode)

• CPU的工作狀態
• 對資源和指令使用權限的描述

態的分類

• 核態(kernel mode)
  • 能夠訪問所有資源和執行所有指令
  • 管理程序 / OS內核
• 用戶態(User mode, 目態)
  • 僅能夠訪問部分資源，其它資源受限
  • 用戶程序
• 管態(Supervisor mode)
  • 介於核態和用戶態之間

用戶態和核態之間的準換

• 用戶態向核態轉換
  • 用戶請求OS提供服務
  • 發生中斷
  • 用戶進程產生錯誤(內部中斷)
  • 用戶態企圖執行特權指令
• 核態向用戶態轉換
  • 一般是執行中斷返回: IRET

存儲體系

CPU讀取指令或數據時的訪問順序

1. 訪問緩存(命中, HIT)
2. 訪問內存(沒有命中,MISS)
3. 訪問輔存(缺頁, PAGE_FAULT)

3. 中斷機制

定義: 指CPU對突發的外部事件的反應過程或機，當CPU收到外部信號(中斷信號)後，停止當前工作，轉去處理該外部工作，處理完畢後回到原來工作的中斷處(斷點)繼續原來的工作。

引入中斷的目的:

• 實現併發活動 (CPU和外設等)
• 實現實時處理
• 故障自動處理

中斷源和中斷類型

• 引起系統中斷的事件稱爲中斷源
• 中斷類型
  • 強迫性中斷(I/O,外部中斷)和自願中斷
  • 外中斷和內中斷
  • 不可屏幕中斷和可屏蔽中斷

斷點

• 程序中斷的地方，將要執行的下一指令的地址
• CS:IP

現場(上下文)

• 程序正確執行所依賴的信息集合
  • 相關寄存器

現場的兩個處理過程

• 現場的保護: 進入中斷服務程序之前，棧
• 現場的恢復: 退出中斷服務程序後，棧

中斷響應的過程

1. 識別中斷源
2. 保護斷點和現場
3. 裝入中斷服務程序的入口地址(CS:IP)； 硬件完成，不需要程序員干預
4. 進入中斷服務程序
5. 恢復現場和斷點
6. 中斷返回: IRET

中斷響應的實質

• 交換指令執行地址
• 交換CPU的態 (中斷響應的過程是在覈態完成的)
• 工作
  • 現場保護和恢復
  • 參數傳遞(通信) 由主程序傳遞給中斷服務程序，同樣中斷服務程序可以返回給主程序