2023/2/31討論操作系統結構，一般包括3個方面：操作系統所提供的服務

2.1操作系統服務操作系統為用戶和程序員提供的接口

2.2操作系統的用戶界面

2.3系統調用（重點）

2.4系統調用類型

2.5系統程序操作系統組成部分及其相互關系

2.6操作系統結構

2.7虛擬機與分區操作系統基本內容2023/2/322.1操作系統服務操作系統服務一般包括：用戶界面：CUI、GUI程序執行：裝入程序、運行程序I/O操作：底層的I/O操作（啟動、讀寫、關閉等）文件系統操作：創建/復制/移動/刪除/檢索文件/目錄、

列舉文件信息等通信：IPC（進程間通信）、RPC（遠程過程調用）等錯誤檢測：硬件錯誤、算術溢出、非法地址訪問等資源分配：CPU、存儲器、外部設備等統計：用戶用時記帳、資源利用率等保護與安全：登錄驗證、進程越界訪問、非法訪問等2023/2/3哈工大計算機學院3系統接口—用戶通過它來使用操作系統對大多數用戶來說，操作系統是一個“黑盒子”操作系統鍵盤命令鼠標點擊網絡數據屏幕輸出文件改變……引導告訴了我們這個盒子是怎么放入內存的?在“打開這個盒子”之前要“了解盒子的入口”2.2操作系統的用戶界面2023/2/342.2操作系統的用戶界面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行用戶給定的下一條命令內部命令、外部命令面向專業人員2023/2/3哈工大計算機學院5命令行是怎么回事?命令是什么?命令輸入后發生了什么?#include<stdio.h>intmain(intargc,char*argv[]){printf(“ECHO:%s\n”,argv[1]);}gcc–ooutputoutput.c./output“hello”一段程序而已intmain(intargc,char*argv[]){charcmd[20];while(1){scanf(“%s”,cmd);

if(!fork()){exec(cmd);}else{wait();}}//while(1)}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(接口)2.2操作系統的用戶界面我們可以自己開發的命令行界面！！2023/2/32.2操作系統的用戶界面2.2.2圖形用戶界面DOS中的Windows1.0-3.12Windows中的DesktopLinux中的X-WindowMacOSXAqua2023/2/37使GUI工作，OS提供消息框架和相關API硬件輸入Windows應用程序iGUI是怎么回事?鼠標點擊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);}系統消息隊列消息循環WinMain()WM_MOUSEDOWN應用消息隊列iWinProc1WinProc2OUTPUT按鈕的WinProc(){caseWM_MOUSEDOWN:OnOK();}2023/2/32.2操作系統的用戶界面2.2.3還有其他形式的用戶界面嗎？語音識別技術Google，百度語音識別系統和相應的API語音識別接口將集成到操作系統中，一些語音命令將同傳統的圖形用戶接口和命令行具有相同的能力。2023/2/39總結前述最重要的概念用戶使用計算機總結：應用操作系統提供的接口編寫程序；應用這些程序解決問題命令行:命令程序+shell+字符顯示GUI:消息處理程序+消息框架+圖形顯示應用程序:將上述部分組成一個整體…因此：用戶通過OS接口使用計算機；OS接口影響計算機的使用方式這么重要，得起個名字：接口表現為函數調用，又由OS提供，叫系統調用系統調用是學習操作系統的首要任務…系統調用2.3系統調用2023/2/310對于指令跳轉也一樣實現了隔離…怎么實現系統調用?將內核程序和用戶程序隔離比較安全!區分內核態和用戶態：一種處理器“硬件設計”系統調用處理器保護環0123核心態OS服務用戶態CPL(CS)RPL(DS)DPL檢查當前程序執行在什么態(哪層環)?由于CS:IP是當前指令，所以用CS的最低兩位來表示:0是內核態，3是用戶態訪問的數據段最低2位內核態可以訪問任何數據，用戶態不能訪問內核數據2.3系統調用當前指令段最低2位被調用代碼段級別2023/2/311對于Intelx86，那就是中斷指令int（trap陷阱指令）int指令將使CS中的CPL改成0，“進入內核”這是用戶程序發起的調用內核代碼的唯一方式若用戶程序想調內核代碼:須有用戶態進入內核態，寫一段包含int指令的代碼系統調用的實現:(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，獲取欲調用程序的編號(3)OS根據編號轉去執行相應的代碼由誰做?庫函數!系統調用編號2.3系統調用硬件提供了“主動進入內核的方法”DOS為INT21H，Windows2K為2EH，Linux為080H）2023/2/3哈工大計算機學院12系統調用的處理過程

SystemCalli號系統調用用戶程序A0SUB0SUB1SUBiSUBnA1AiAn……系統調用處理子程序取系統功能號查入口地址表相應入口地址結束處理恢復現場A0A1…Ai…An保護CPU現場陷入指令int系統調用陷入機構入口地址表2.3系統調用01…i…n2023/2/313系統調用展開執行示例應用程序intmain(){…scanf(…);…}C庫展開intread{…moveeax,3int0x80;…}中斷處理entry(system_call){saveall…callsys_read3…restoreall;}內核函數sys_read3(){…ret}用戶態核心態2023/2/3142.3系統調用系統調用號：用寄存器eax內容指定最多直接傳遞3個參數：用寄存器ebx，ecx，edx有3種傳遞參數的方式：（1）直接用寄存器ebx，ecx，edx，最多3個參數（2）指定內存塊，任意多個參數，可以用ebx、

ecx、edx任意2個指定地址和個數（3）用系統棧，任意多個參數，寄存器可用可不

用（因為參數個數可放在棧內）系統調用參數傳遞：規則誰來制定？誰來實現規則？答案：編譯器2023/2/3152.3系統調用API：ApplicationProgramInterfaceAPI是對SystemCall的封裝Win32API2000多個POSIXAPI100多個JavaAPI10000多個Linux2.X版本有200多個系統調用SystemCall更底層，使用需知道更多細節API是用SystemCall封裝而成，使用方便，

程序可移植性好API與SystemCall的區別與聯系？2023/2/3哈工大計算機學院162.4系統調用類型進程控制：創建、裝入、執行、終止、等待、喚醒、

內存分配與釋放……文件管理：創建、刪除、打開、關閉、讀、寫、重定

位、屬性獲取及設置……設備管理：請求、釋放、讀、寫、重定位、屬性獲得

設置、連接與斷開信息維護：讀取/設置系統數據、讀取/設置時間及日

期、讀取/設置進程/文件/設備等屬性通信：創建/刪除通信連接、收發消息、連接/斷開遠

端設備五大類：進程控制、文件管理、設備管理、信息維護、通信2023/2/3172.5系統程序文件管理：創建、刪除、復制、命名、備份、格式化

等，如資源管理器等系統維護：監測、設置、性能分析等，如：安裝軟件，

TaskManager，RegEdit，PS，LS，Kill等程序開發支持：各類語言編輯/編譯器，IDE開發環境，

數據庫系統通信：遠程登錄，網上鄰居，網頁瀏覽器等系統程序：介于操作系統與用戶應用程序之間的程序，主要提供一個方便的環境，利用開發程序和執行程序2023/2/3哈工大計算機學院182.6操作系統結構MS-DOS層次結構1.簡單結構：整個操作系統近乎是個單一的整體，不注重模

塊的劃分和接口與功能層次。典型例子：DOS應用程序系統駐留程序MS-DOS設備驅動ROMBIOS設備驅動2023/2/3192.6操作系統結構Linux單內核結構用戶態系統庫(函數庫)應用程序系統調用接口模塊內核(進程管理、存儲管理、文件管理、設備管理、網絡管理)設備驅動計算機硬件核心態單內核2.模塊化：面向對象技術生成模塊化的內核。使用動態加載模塊，現代UNIX,Solaris,Linux,MacosX類似于微內核，核心內核具有基本功能，內核掌握其他模塊加載和通信的接口，模塊之間可以相互調用2023/2/3哈工大計算機學院202.6操作系統結構分層操作系統結構模型2.分層結構：整個操作系統分為若干層，至底向上層層封裝第i層只能調用0..i-1層提供的函數或調用；更嚴格的分層：第i層只能調用i-1層提供的函數或調用優點是構造和調試的簡單化。缺點：分層法主要困難是對層的詳細定義，這是因為一層只能使用其下的較低層。分層結構效率低。2023/2/3212.6操作系統結構2.分層結構：整個操作系統分為若干層，至底向上層層封裝最高層：接口中間層：對對象進行操縱和管理的軟件集合最底層：OS操縱和管理的對象，包括各類軟硬件資源UNIX操作系統Windows2023/2/322

操作系統服務進程客戶進程1客戶進程2文件服務器進程服務器主存服務器……微內核(消息傳遞、進程調度、內存管理)計算機硬件用戶進程用戶態核心態客戶通過微內核發送消息給文件服務器2.6操作系統結構微內核結構模型（QNX,Mach,Vxworks）3.微內核結構：將最基本的功能作為內核存在，主要包括最小的進程管理、內存管理和通信功能，其他功能作為系統程序或用戶程序出現。采用CS模式（client-server）2.6操作系統結構3.微內核結構：將最基本的功能作為內核存在，主要包括最小的進程管理、內存管理和通信功能，其他功能作為系統程序或用戶程序出現。2.6操作系統結構3.微內核結構：RTEMS介紹2.6操作系統結構3.微內核結構：幾種優秀操作系統比較2023/2/3262.6操作系統結構微內核結構模型（QNX,Mach,Vxworks）3.微內核結構2023/2/3哈工大計算機學院27

2.7虛擬機VMWare結構模型虛擬機：是一種操作系統的特殊結構。首先，對硬件進行第1層抽象封裝（一般是一個完整的操作系統），之后以該層為基礎，再封裝第二層虛擬硬件抽象，然后實現支持多個操作系統。應用應用應用應用客戶操作系統（OS/2）虛擬CPU虛擬內存虛擬設備客戶操作系統（DOS）虛擬CPU虛擬內存虛擬設備客戶操作系統（Linux）虛擬CPU虛擬內存虛擬設備宿主操作系統（WindowsXP）硬件（CPU內存I/O設備）2023/2/3282.7虛擬機虛擬機：虛擬機監控器VMM+虛擬機VM——典型的云計算平臺，openstack、vmware、阿里云2023/2/3292.7虛擬機虛擬機實現技術傳統x86機器的虛擬化：虛擬機監視器(VMM）代表客戶操作系統來聽取、中斷與執行特定指令的需要，效率低。VT-x是intel運用Virtualization虛擬化技術中的一個指令集，是CPU的硬件虛擬化技術，VT可以同時提升虛擬化效率和虛擬機的安全性，在x86平臺上的VT技術，一般稱之為VT-x。2023/2/3302.7虛擬機虛擬機實現技術為了建立這種兩個操作模式的架構，VT-x設計了一個Virtual-MachineControlStructure（VMCS，虛擬機控制結構）的數據結構；包括了Guest-StateArea（客戶狀態區）和Host-StateArea（主機狀態區），用來保存虛擬機以及主機的各種狀態參數；并提供了VMentry和VMexit兩種操作在虛擬機與VMM之間切換用戶可以通過在VMCS的VM-executioncontrolfields里面指定在執行何種指令/發生何種事件的時候，VMXnon-rootoperation環境下的虛擬機就執行VMexit，從而讓VMM獲得控制權，因此VT-x解決了虛擬機的隔離問題，又解決了性能問