操作系統(tǒng) 第2章 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)專業(yè)課件

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軟件學(xué)院教研室

2016.04

操作系統(tǒng)19:28:52哈工大軟件學(xué)院2討論操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般包括3個(gè)方面：操作系統(tǒng)所提供的服務(wù)

2.1操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)為用戶和程序員提供的接口

2.2操作系統(tǒng)的用戶界面

2.3系統(tǒng)調(diào)用

2.4系統(tǒng)調(diào)用類型

2.5系統(tǒng)程序操作系統(tǒng)組成部分及其相互關(guān)系

2.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.7虛擬機(jī)基本內(nèi)容19:28:52哈工大軟件學(xué)院32.1操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)服務(wù)一般包括：用戶界面：CUI、GUI程序執(zhí)行：裝入程序、運(yùn)行程序I/O操作：底層的I/O操作（啟動(dòng)、讀/寫、關(guān)閉等）文件系統(tǒng)操作：創(chuàng)建/復(fù)制/移動(dòng)/刪除/檢索文件/目錄、

列舉文件信息等通信：IPC（進(jìn)程間通信）、RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）等錯(cuò)誤檢測：硬件錯(cuò)誤、算術(shù)溢出、非法地址訪問等資源分配：CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備等統(tǒng)計(jì)：用戶用時(shí)記帳、資源利用率等保護(hù)與安全：登錄驗(yàn)證、進(jìn)程越界訪問、非法訪問等19:28:52哈工大軟件學(xué)院42.2操作系統(tǒng)的用戶界面19:28:52哈工大軟件學(xué)院5系統(tǒng)接口—用戶通過它來使用操作系統(tǒng)對大多數(shù)用戶來說，操作系統(tǒng)是一個(gè)“黑盒子”操作系統(tǒng)鍵盤命令鼠標(biāo)點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)屏幕輸出文件改變……引導(dǎo)告訴了我們這個(gè)盒子是怎么放入內(nèi)存的?在“打開這個(gè)盒子”之前要“了解盒子的入口”2.2操作系統(tǒng)的用戶界面19:28:52哈工大軟件學(xué)院62.2操作系統(tǒng)的用戶界面2.2.1命令解釋程序命令解釋程序是OS的特殊程序DOS中的COMMAND.COMUNIX、Linux中的Shell（B-Shell、C-Shell）命令解釋程序的主要作用是獲取并執(zhí)行用戶給定的命令內(nèi)部命令、外部命令19:28:52哈工大軟件學(xué)院7命令行是怎么回事?命令是什么?命令輸入后發(fā)生了什么?#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){printf(“ECHO:%s\n”,argv[1]);}gcc–ooutputoutput.c./output“hello”命令，一段程序而已intmain(intargc,char*argv[]){charcmd[20];while(1){scanf(“%s”,cmd);

if(!fork()){exec(cmd);}else{wait();}}}也是一段程序:shell，即/bin/sh命令得以工作的原因:OS提供了printf,fork,exec等函數(shù)(接口)2.2操作系統(tǒng)的用戶界面我們可以自己開發(fā)的命令行界面??！19:28:52哈工大軟件學(xué)院82.2操作系統(tǒng)的用戶界面2.2.2圖形用戶界面DOS中的Windows1.0-3.12Windows中的DesktopLinux中的X-WindowMacOSXAqua我們自己開發(fā)的WindowsDesktop例子1例子2設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)自制桌面19:28:52哈工大軟件學(xué)院9使GUI工作，OS提供消息框架和相關(guān)API硬件輸入Windows應(yīng)用程序iGUI是怎么回事?鼠標(biāo)點(diǎn)擊OUTPUT以后…voidCOutputDlg::OnOK(){GetDlgItemText(IDC_EDIT1,m_outStr);FILE*fp=fopen("d:\\out.txt","w");

fprintf(fp,m_outStr,m_outStr.GetLength());fclose(fp);}系統(tǒng)消息隊(duì)列消息循環(huán)WinMain()WM_MOUSEDOWN應(yīng)用消息隊(duì)列iWinProc1WinProc2OUTPUT按鈕的WinProc(){caseWM_MOUSEDOWN:OnOK();}19:28:52哈工大軟件學(xué)院10總結(jié)前述最重要的概念用戶使用計(jì)算機(jī)總結(jié)：應(yīng)用OS提供的接口編寫程序；

應(yīng)用這些程序解決具體問題命令行:X_shell+命令程序+字符顯示GUI:消息處理程序+消息框架+圖形顯示應(yīng)用程序:將上述部分組成一個(gè)整體…因此：用戶通過OS接口使用計(jì)算機(jī)；

OS接口影響計(jì)算機(jī)的使用方式這么重要，得起個(gè)名字：接口表現(xiàn)為函數(shù)調(diào)用，又是由OS提供，叫系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的首要任務(wù)…系統(tǒng)調(diào)用2.3系統(tǒng)調(diào)用19:28:52哈工大軟件學(xué)院11對于指令跳轉(zhuǎn)也一樣實(shí)現(xiàn)了隔離…怎么實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用?將內(nèi)核程序和用戶程序隔離比較好!區(qū)分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)：一種處理器“硬件設(shè)計(jì)”系統(tǒng)調(diào)用處理器保護(hù)環(huán)0123核心態(tài)OS服務(wù)用戶態(tài)當(dāng)前程序執(zhí)行在什么態(tài)(哪層環(huán))?由于CS:IP是當(dāng)前指令，所以用CS的最低兩位來表示:

0是內(nèi)核態(tài)，3是用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)可以訪問任何數(shù)據(jù)，用戶態(tài)不能訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)2.3系統(tǒng)調(diào)用19:28:52哈工大軟件學(xué)院12對于Intelx86，那就是中斷指令intint指令將使CS中的CPL改成0，“進(jìn)入內(nèi)核”這是用戶程序發(fā)起的調(diào)用內(nèi)核代碼的唯一方式若用戶程序想調(diào)內(nèi)核代碼:寫一段包含int指令的代碼系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn):(1)用戶程序中寫上一段包含int指令的代碼(2)OS寫中斷處理代碼，獲取欲調(diào)用程序的編號(3)OS根據(jù)編號轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的代碼由誰做?庫函數(shù)!系統(tǒng)調(diào)用編號2.3系統(tǒng)調(diào)用硬件提供了“主動(dòng)進(jìn)入內(nèi)核的方法”DOS/Windows2000/Linux分別為

int21H/

2EH/80H哈工大軟件學(xué)院取系統(tǒng)功能號查入口地址表相應(yīng)入口地址結(jié)束處理恢復(fù)現(xiàn)場A0A1…Ai…An保護(hù)CPU現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)用陷入機(jī)構(gòu)入口地址表01…i…n19:28:5213系統(tǒng)調(diào)用的處理過程

用戶程序SystemCalli號系統(tǒng)調(diào)用A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統(tǒng)調(diào)用處理子程序陷入指令

int2.3系統(tǒng)調(diào)用19:28:52哈工大軟件學(xué)院14系統(tǒng)調(diào)用展開執(zhí)行示例應(yīng)用程序intmain(){…scanf(…);…}C庫展開intread{…moveeax,3int0x80;…}中斷處理機(jī)構(gòu)entry(system_call){saveall…callsys_read3…restoreall;}內(nèi)核函數(shù)（系統(tǒng)調(diào)用）sys_read3(){…ret}用戶態(tài)核心態(tài)19:28:52哈工大軟件學(xué)院152.3系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用號：用寄存器eax內(nèi)容指定最多直接傳遞3個(gè)參數(shù)：用寄存器ebx，ecx，edx有3種傳遞參數(shù)的方式：（1）直接用寄存器ebx、ecx、edx，最多3個(gè)參數(shù)（2）指定內(nèi)存塊，任意多個(gè)參數(shù)，可以用ebx、

ecx、edx任意2個(gè)指定地址和個(gè)數(shù)（3）用系統(tǒng)棧，任意多個(gè)參數(shù)，寄存器可用可不

用（因?yàn)閰?shù)個(gè)數(shù)可放在棧內(nèi)）系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)傳遞19:28:52哈工大軟件學(xué)院162.3系統(tǒng)調(diào)用Linux0.11共定義了72個(gè)系統(tǒng)調(diào)用：編號0～71Linux0.11\include\unisted.h文件中定義該編號

#define__NR_setup0

#define__NR_exit1

#define__NR_fork2

#define__NR_read3

#define__NR_wirte4

……Linux0.11\linux\sys.h文件中：

（1）定義了系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)頭：externintsys_XXX();

（2）定義了系統(tǒng)調(diào)用入口地址表：

sys_call_table[]={sys_setup,sys_exit,sys_fork,

sys_read,sys_write,…}Linux0.11系統(tǒng)調(diào)用說明：19:28:52哈工大軟件學(xué)院172.3系統(tǒng)調(diào)用API：ApplicationProgramInterfaceAPI是對SystemCall的封裝Win32API2000多個(gè)POSIXAPI100多個(gè)JavaAPI10000多個(gè)Linux2.X版本有200多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用SystemCall更底層，使用時(shí)需要知道更多細(xì)節(jié)API是用SystemCall封裝而成，使用方便，程序可移植性好API與SystemCall的區(qū)別與聯(lián)系19:28:52哈工大軟件學(xué)院182.4系統(tǒng)調(diào)用類型進(jìn)程控制：創(chuàng)建、裝入、執(zhí)行、終止、等待、喚醒、

內(nèi)存分配與釋放……文件管理：創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉、讀、寫、重定

位、屬性獲取及設(shè)置……設(shè)備管理：請求、釋放、讀、寫、重定位、屬性獲取、

設(shè)置、連接與斷開信息維護(hù)：讀取/設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)、讀取/設(shè)置時(shí)間及日

期、讀取/設(shè)置進(jìn)程/文件/設(shè)備等屬性通信：創(chuàng)建/刪除通信連接、收發(fā)消息、連接/斷開遠(yuǎn)

端設(shè)備五大類：進(jìn)程控制、文件管理、設(shè)備管理、信息維護(hù)、通信19:28:52哈工大軟件學(xué)院192.5系統(tǒng)程序文件管理：創(chuàng)建、刪除、復(fù)制、命名、備份、格式化

等，如資源管理器等系統(tǒng)維護(hù)：監(jiān)測、設(shè)置、性能分析等，如：安裝軟件，

TaskManager，RegEdit，PS，LS，Kill等程序開發(fā)支持：各類語言編輯/編譯器，IDE開發(fā)環(huán)境，

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信：遠(yuǎn)程登錄，網(wǎng)上鄰居，網(wǎng)頁瀏覽器等系統(tǒng)程序：介于操作系統(tǒng)與用戶應(yīng)用程序之間的程序，主要提供一個(gè)方便的環(huán)境，利用開發(fā)程序和執(zhí)行程序19:28:52哈工大軟件學(xué)院202.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MS-DOS層次結(jié)構(gòu)1.簡單結(jié)構(gòu)：整個(gè)操作系統(tǒng)似乎是個(gè)單一的整體，不注重模

塊的劃分和接口與功能層次。典型例子：DOS應(yīng)用程序系統(tǒng)駐留程序MS-DOS設(shè)備驅(qū)動(dòng)ROMBIOS設(shè)備驅(qū)動(dòng)19:28:52哈工大軟件學(xué)院212.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Linux單內(nèi)核結(jié)構(gòu)用戶態(tài)系統(tǒng)庫(函數(shù)庫)應(yīng)用程序系統(tǒng)調(diào)用接口模塊內(nèi)核(進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理)設(shè)備驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)硬件核心態(tài)單內(nèi)核19:28:52哈工大軟件學(xué)院222.6操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型2.分層結(jié)構(gòu)：整個(gè)操作系統(tǒng)分為若干層，至底向上層層封裝第i層只能調(diào)用0..i-1層提供的函數(shù)或調(diào)用更嚴(yán)格的分層