操作系统逻辑结构

操作系统的逻辑结构是指操作系统的设计和实现思路

逻辑结构的种类

• 整体式结构
  以模块为基本单位构建
  模块设计、编码和调试独立
  模块调度自由
  模块通信多以全局变量的形式完成
  但信息传递随意，维护和更新困难
  

  整体式结构

• 层次式结构
  分层原则

结构	层次
硬件相关	最底层
外部特性	最外层
调用次序或消息传递顺序	中间层
共性的服务	较低层
活跃功能	较低层

结构清晰，避免循环调用
整体问题局部化，系统的正确性容易保证
有利于操作系统的维护、扩充、移值

分层式结构

• 微内核结构（客户/服务器结构，Client/Server）
  操作系统由微内核和核外服务器构成

微内核	核外服务器
提供操作系统最基本的核心功能和服务	完成操作系统的绝大部分服务功能，等待应用程序提出请求

如前面讲到的Minix操作系统

CPU的态（Mode）

CPU的工作状态、对资源和指令使用权限的描述

态的类别	权限
核态（Kernel mode）	能够访问所有资源和执行所有指令，管理程序和操作系统内核
用户态（User mode，目态）	仅能访问部分资源，其他资源受限，管理用户程序
管态（Supervisor mode）	介于核态和用户态之间

态的转换	情景
用户态->核态	用户请求操作系统提供服务，发生中断，用户进程产生错误（内部中断），用户态企图执行特权指令
核态->用户态	一般是执行中断返回：IRET

• 特权指令
  LGDT/LIDT：装载特殊寄存器
  CLTS：清除任务开关标志
  STI/CTL：允许和禁止中断
  HALT：停止CPU的工作
  IN/OUT：执行I/O操作
  从核态转回用户态
  ......

• 硬件和操作系统对CPU的观察
  硬件按“态”来区分CPU的状态，操作系统按“进程”来区分CPU的状态
  Intel CPU有Ring 0~Ring 3态，其中Ring 0最核心

• 程序段访问另一程序段
  需要检查RPL（请求特权级）是否高于DPL（描述符特权级）

• Windows:Ring 0和Ring 3通信
  DeviceIoControl (kernel32.dll)通过操作系统实现应用层对设备数据的访问

BOOL DeviceIoControl(
  HANDLE hDevice;//设备句柄 //CreatFile打开创建
  DWORD dwloContolCode;//控制码 // 指明要内核完成的操作
  LPVOID  IpInBuffer;//输入数据缓冲区 //Ring 3输入
  DWORD  nInBufferSize;//缓冲区长度 // Ring 3长度
  LPVOID  IpOutBuffer;//输出数据缓冲区 //Ring 0返回参数
  DWORD  nOutBufferSize;//缓冲区长度 //Ring 0返回长度
  LPDWORD IpBytesReturned;// 输出数据实际长度
  LPOVERLAPPED IpOverlapped;// 重叠操作结构指针

• 存储器
  理想存储体系：速度快、容量大、成本低
  实际存储体系：寄存器、高速缓存（CACHE）、主存（内存）、辅存（硬盘）
  

  存储器

• 分级存储系统的工作原理
  CPU访问顺序： 访问缓存（命中，HIT）->访问内存（没命中，MISS）->访问辅存（缺页，PAGE_FAULT）
  

  CPU访问数据顺序

• 支持操作系统的最基本硬件结构
  CPU、内存、中断、时钟

中断机制

指CPU对突发的外部事件的反应过程或机制
CPU收到外部信号（中断信号）后，停止当前工作，转去处理该外部事件，处理完毕回到原来的工作中断处（断点）继续原来的工作

• 中断的用处
  实现并发活动
  实现实时处理
  故障自动处理

• 中断源和中断类型
  引起系统中断的事件成为中断源
  强迫性中断：程序没有预期，如I/O、外部中断
  自愿性中断：程序有预期，如执行访管指令
  外中断：CPU外部事件引起，如I/O、外部事件
  （进一步分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，区别在于CPU是否必须响应）
  内中断：CPU内部事件引起，如访管中断、程序中断

• 断点
  程序中断的地方，将要执行的下一指令的地址，CS：IP （寄存器）

• 现场
  程序正确运行所依赖的信息集合，相关寄存器
  现场的保护：进入中断服务程序之前，栈
  现场的恢复：退出中断服务程序之后，栈

• 中断响应过程
  识别中断源->保护断点和现场->装入中断服务程序的入口地址（CS：IP，自动完成）->进入中断服务程序->恢复现场和断点->中断返回（IRET）

• 中断响应的实质
  交换指令执行地址
  交换CPU的态
  工作（现场保护和恢复，参数传递）