02-03操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（OS_Structure）


[]陳述：
1.IO設(shè)備與CPU可并行運(yùn)行。
2.每一個(gè)設(shè)備控制器負(fù)責(zé)一個(gè)設(shè)備類型。
3.每一個(gè)設(shè)備控制器有一個(gè)局部緩存。
4.CPU通過(guò)局部緩存與主存交換數(shù)據(jù)。
5.設(shè)備控制器通過(guò)引起中斷通知CPU操作已完成。


[]中斷機(jī)制：中斷使得系統(tǒng)更加高效同時(shí)反應(yīng)更為迅速。
分為硬件中斷（hardware interrupt）和軟件中斷（software interrupt 陷阱）
1.硬件中斷如 disk，timer，etc。
2.軟件中斷如?
異?！?，非法內(nèi)存訪問(wèn)
之類的system? call——read()，write()
重點(diǎn)名詞：
interrupt driven：中斷驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)都是中斷驅(qū)動(dòng)的。
interrupt handler：中斷服務(wù)程序
interrupt vector：中斷向量，是中斷服務(wù)程序的入口地址。


[]IO結(jié)構(gòu)
1、設(shè)備與設(shè)備控制器相連
2、IO操作分為同步(Synchronous)和異步(Asynchronous)兩種。
同步的含義：在IO開始以后，直到IO完成，控制權(quán)才轉(zhuǎn)交給用戶程序。
同步IO的兩種方式：busy wait method（忙等方式）和（interrupt based method）中斷方式。
忙等方式：wait instruction 和 wait loop。缺點(diǎn)是一次最多1個(gè)IO請(qǐng)求，不能同時(shí)處理多IO請(qǐng)求。
中斷方式：device-status table 和 wait queue。
異步的含義：在IO開始以后，不等IO完成，控制權(quán)就轉(zhuǎn)交給用戶程序。
異步的舉例：Windows message、callback function
重點(diǎn)名詞：
a device controller(hardware)：設(shè)備控制器，包括local buffer storage(本地緩沖器)、a set of registers(一組寄存器)
device driver：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。


[]DMA(Direct Memory Access)結(jié)構(gòu)
1.設(shè)備控制器在本地緩沖和內(nèi)存之間傳輸一整塊數(shù)據(jù)而無(wú)需CPU的干預(yù)。
2.DMA控制器從CPU竊取內(nèi)存周期。
3.RAM(Random access memory)主存是CPU可以直接訪問(wèn)的唯一大型存儲(chǔ)介質(zhì)。
4.RAM的問(wèn)題：small、volatile(易失性)。
5.Secondary Storage：magnetic disk(磁盤)、magnetic tape(磁帶)、floppy disks、CD—ROMs
6.速度比較 magnetic disk < main memory < cache < hardware register


[]硬件保護(hù)
當(dāng)非法指令、訪問(wèn)不屬于自己地址空間的內(nèi)存或進(jìn)程中止時(shí)，硬件陷入到OS中去。
多用戶環(huán)境下，保護(hù)磁盤上的文件、數(shù)據(jù)。
1)Dual-Mode Operation 兩狀態(tài)運(yùn)行（用戶態(tài)、管態(tài)）
——共享系統(tǒng)資源要求操作系統(tǒng)確保有誤程序不會(huì)引起其他程序的錯(cuò)誤。
——mode bit模式位
——出現(xiàn)中斷或者陷阱時(shí)，硬件切換到管態(tài)。
——Privileged instructions(特權(quán)指令)只能在管態(tài)來(lái)下運(yùn)行。
——權(quán)指令令在用戶態(tài)下需要調(diào)用 system call 切換到管態(tài)下使用。
2)IO Protection IO保護(hù)
——所有的IO指令都是特權(quán)指令。
——用戶不能直接用IO指令，必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用。
——確保用戶程序不能在管態(tài)下控制計(jì)算機(jī)。
3)Memory Protection 內(nèi)存保護(hù)
——必須保護(hù)中斷向量和中斷服務(wù)程序。
——確定進(jìn)程能訪問(wèn)的合法空間。
——base register基址寄存器，limit register界限寄存器。
——CPU訪問(wèn)的address要介于[base,base+limit]區(qū)間內(nèi)。
——用戶態(tài)生成的每個(gè)地址都要經(jīng)過(guò)硬件檢查。
——當(dāng)在管態(tài)下的時(shí)候，操作系統(tǒng)可以訪問(wèn)任意管態(tài)和用戶態(tài)的內(nèi)存空間。
4)CPU Protection CPU保護(hù)
——OS需要防止用戶程序陷入死循環(huán)或者不調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)且不將控制權(quán)返回到OS。
——timer定時(shí)器，特定周期中斷CPU以保證操作系統(tǒng)維持控制權(quán)。
——load-timer是特權(quán)指令。
——timer用來(lái)實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)，也可以用來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)間。


[]OS Services for user(操作系統(tǒng)服務(wù))
1.User interface
2.Program execution
3.IO Operation
4.File-system manipulation
5.Comminications
——Msg Passing消息傳遞
——Shared Memory共享內(nèi)存
6.Error dection
其他操作系統(tǒng)服務(wù)如Resource allocation(資源分配)、Accounting(賬務(wù))、Protection(保護(hù))


[]System Calls系統(tǒng)調(diào)用
1.系統(tǒng)調(diào)用提供在運(yùn)行程序和操作系統(tǒng)之間的接口，通常以匯編語(yǔ)言指令形式提供。
2.系統(tǒng)調(diào)用的處理機(jī)構(gòu):陷入（TRAP）或異常處理機(jī)構(gòu)。


3.把由于系統(tǒng)調(diào)用引起處理機(jī)中斷的指令稱為陷入或異常指令（或稱訪管指令）。
4.系統(tǒng)調(diào)用的處理流程：
1)當(dāng)用戶使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，產(chǎn)生一條相應(yīng)的指令
2)CPU在執(zhí)行到該指令時(shí)發(fā)生中斷，發(fā)出有關(guān)的信號(hào)給陷入處理機(jī)構(gòu)。
3)處理機(jī)構(gòu)在收到了CPU發(fā)來(lái)的信號(hào)后，啟動(dòng)相關(guān)的處理程序去完成該系統(tǒng)調(diào)用所要求的功能
。
4)在處理系統(tǒng)調(diào)用之前，陷入處理機(jī)構(gòu)還需保存處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)（PSW、PC、系統(tǒng)調(diào)用號(hào)、用戶棧指針、通用寄存器、用戶定義的參數(shù)等）
。


5.如何找到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用功能的子程序:入口地址表，每個(gè)入口地址與相應(yīng)的系統(tǒng)程序?qū)?yīng)。
6.系統(tǒng)調(diào)用的類型：process control、file management、device management、information maintence、communications。




[]系統(tǒng)程序
1.文件操作
2.狀態(tài)信息
3.文件修改
4.程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言支持
5.程序調(diào)入和執(zhí)行
6.通信
7.應(yīng)用程序


[]系統(tǒng)部件
1.Process Management 進(jìn)程管理
——進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序。
——OS負(fù)責(zé)：進(jìn)程的創(chuàng)建和刪除、進(jìn)程的掛起和恢復(fù)，提供進(jìn)程同步和進(jìn)程通信機(jī)制，死鎖的處理。




2.Main Memory Management主存管理
——OS負(fù)責(zé)：保持記錄存儲(chǔ)器的哪一部分當(dāng)前被使用以及被誰(shuí)使用、當(dāng)有可用存儲(chǔ)空間時(shí)決定調(diào)入哪個(gè)進(jìn)程、需要時(shí)分配和回收存儲(chǔ)空間。




3.Secondary-Storage Management 二級(jí)儲(chǔ)存器管理
——由于主存是易失性的，而且太小不足以永久保存所有數(shù)據(jù)和程序，需要二級(jí)存儲(chǔ)器備份主存。
——在同磁盤管理的有關(guān)活動(dòng)中，OS負(fù)責(zé):空閑空間管理、存儲(chǔ)器分配、磁盤調(diào)度。




4.I/O System Management? I/O系統(tǒng)管理
——包括：緩沖區(qū)-高速緩存系統(tǒng)、通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)器接口、用于特定硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。




5.File Management 文件管理
——OS負(fù)責(zé)：目錄和文件的創(chuàng)建刪除、支持操作文件和目錄的原語(yǔ)、把文件映像到二級(jí)存儲(chǔ)器、在穩(wěn)定存儲(chǔ)介質(zhì)做文件副本。




6.Protection System 保護(hù)系統(tǒng)
——保護(hù)是一種機(jī)制，控制程序、進(jìn)程、或用戶對(duì)系統(tǒng)和用戶資源的訪問(wèn)
。




7.Networking 網(wǎng)絡(luò)處理


8.Command-Interpreter System 命令解釋器系統(tǒng)


[]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)
2.層次化結(jié)構(gòu)
——OS劃分為若干層，底層(0層)為硬件，最高層(N層)為用戶層。
——分層的基本原則模塊化：每層只能使用低層次的功能和服務(wù)。困難：層次的劃分和安排要保證不出現(xiàn)雙向依賴關(guān)系。
——分層的有點(diǎn)：低層和高層可分別實(shí)現(xiàn)。
高層的錯(cuò)誤不會(huì)影響到低層，便于調(diào)試，利于功能的增刪改。
調(diào)用關(guān)系清晰避免遞歸調(diào)用。
——缺點(diǎn)：系統(tǒng)中所有的控制轉(zhuǎn)移、通訊的任務(wù)全部交給系統(tǒng)的核心去管理，需要花費(fèi)一定的代價(jià)。


[]微內(nèi)核
操作系統(tǒng)由兩大部分組成：
1、運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核。
2、運(yùn)行在用戶態(tài)并以C/S方式運(yùn)行的進(jìn)程層。
特點(diǎn)：
1)內(nèi)核精巧，只包含任務(wù)管理、虛存管理、進(jìn)程間通信。
2)面向多處理機(jī)和分布式系統(tǒng)
3)基于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。
優(yōu)點(diǎn)：
1)易于擴(kuò)充
2)易于移植


3)提高系統(tǒng)的可靠性：
4)提供多種操作環(huán)境
便于實(shí)現(xiàn)分布計(jì)算 RPC Remote Procedure Call
缺點(diǎn)：
消息傳遞方式增加開銷，使響應(yīng)變慢。


[]虛擬機(jī)
1.虛擬機(jī)是層次化的邏輯結(jié)果，它把硬件和操作系統(tǒng)都看成是硬件。
2.虛擬機(jī)為裸機(jī)提供了統(tǒng)一的接口。
3.操作系統(tǒng)創(chuàng)建了多個(gè)進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程都有自己的處理器和(虛擬)內(nèi)存。
4.實(shí)現(xiàn)方式：分時(shí) 共享

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统复习笔记 02-03 OS Structure 操作系统结构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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