操作系统结构与用户接口.ppt

第四讲 操作系统结构与用户接口授课目的与要求：了解典型操作系统结构及用户使用操作系统的方法。授课重点与难点：嵌入用户进程执行模式结构，命令解释器及系统调用实现。作业安排：8,9,10,11。,2.3 操作系统运行模型操作系统核心的主要功能模块介绍如下：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）和进程调度。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）；在虚存系统缺页异常时调入页面进行处理。文件管理模块：处理文件类系统调用。外设管理模块：负责外设驱动和中断处理。,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/例外机制启动运行。,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,其并发性较好。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。,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。,1.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；其他：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。,2.自陷指令(trap),系统调用是一种特殊形式的转子程序方法,它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为：.(传给核心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指令,之后执行指令从与操作系统约定的寄存器中获得返回值,安排好状态返回上级程序。处理机执行trap指令会导致控制转到操作系统的trap处理程序入口,trap处理程序获得参数后,按系统调用入口表转移。参数传递的一般形式如下：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,3.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编写,其中包含trap指令；处理机运行到Trap指令时,保护现场，转入内核总控；总控进一步保护现场,根据内中断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,，调磁盘驱动程序启动IO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完成即产生一个磁盘中断（这时正运行程序被中断打断）,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)；返回总控（这时会进行处理机调度）,恢复现场,用户程序继续运行。,2.5 命令语言与窗口用户界面,2.5.1 通信语言(命令语言/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，其执行的过程如下:,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解释器；由解释器处理用户输入命令。,Shell解释器流程（功能为解释执行shell命令）如下：,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和简单命令；对不能识别的命令关键字,则到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键入对应的终端命令而运行的。当用户键入命令解析程序不认识的命令关键字时，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、连接模块、装配目标程序等的功能。3.文件及文件系统相关的实用程序。如文件拷贝、打印，以及文件系统装卸等实用程序。4.显示系统进程和资源状态的实用程序。5.用户管理程序。如用户加入删除、口令修改等功能。,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程序.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,所有命令行都用图符、菜单来表示,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。,