操作系统学习笔记-2：体系结构和运行机制

（1）无结构操作系统：

早期的操作系统没有真正意义上的“结构”可言，只是大量的过程的集合，过程之间可以互相调用，导致操作系统内部复杂而混乱。

（2）模块化结构操作系统：

模块化结构的 OS 基于程序模块化开发的思想，按照功能划分了多个具有一定独立性和大小的模块，每个模块有自己的功能，同时互相之间能够通过接口实现交互。模块之下又有子模块，以此类推。

• 模块的大小：划分过小，就会引起模块之间联系过多；划分过大，就会引起内部联系增加，复杂度提高
• 模块的独立性：两个衡量标准，即低耦合、高内聚。耦合度指的是模块之间的互相联系和影响，内聚性指的是模块内部各部分之间的紧密程度

模块化开发的 OS 虽然提高了 OS 设计的正确性、可理解性、可维护性，加速了开发过程，但是也存在着一定的问题：接口难以满足实际需求；多个决定齐头并进，呈现出“无序性”。

（3）分层式结构操作系统

为了将“无序性”转化成“有序性”，采用了 自底向上 方法，在目标系统和裸机（宿主）系统之间铺设多个中间层，使得目标系统最终得以在裸机系统上运行。

从层次来看，为了使 每一步设计都建立在可靠的基础上 （这正是模块化结构 OS 缺失的），规定每一层仅能使用其底层提供的功能和服务 —— 这就使得调试变得非常容易，比如调试 A2 层的时候，可以只考虑 A1 层，因为 A2 层依赖 A1 层的服务和功能。一层一层自底向上增添，每一层实现一些功能，最后构成一个完整的 OS。

聚焦于单个层次，每个层次都由若干个模块构成。

分层式结构的 OS 虽然保证了系统的正确性、可扩充性和易维护性，但是由于是分层单向依赖，使得层次和层次之间的 通信 成为了一个问题。执行一个简单的功能，可能需要穿越多个层次完成通信。

2. 微内核操作系统结构

2.1 特点

（1）足够小的内核：

包含 —— 与硬件处理紧密相关的部分；基本的功能；客户与服务器之间的通信

（2）基于客户/服务器模式 ：

OS 最基本的部分放在内核中，其它绝大部分功能则在微内核外面的一组服务器（进程）中实现，比如 IO 设备管理服务器、进程服务器等。客户与服务器之间通过消息传递机制实现信息交互，如下图：

（3）应用“机制与策略分离”原理：

• 机制：实现某个功能的具体执行机构
• 策略：在机制基础上借助某些算法实现功能

在微内核 OS 中，通常将机制放在 OS 的微内核中。

（4）采用面向对象技术：

基于“抽象”“隐蔽”原则控制系统的复杂性，基于“对象”“封装”“继承”确保系统的正确性、可靠性、易修改性、易扩展性。

2.2 功能

• 进程（线程）管理：进程通信、切换、调度等
• 低级存储器管理
• 中断和陷入管理

2.2 优缺点

二. 操作系统的运行机制

1. 相关概念普及

1.1 两种指令

特权指令：

指的是有特殊权限的指令，比如： 清内存、置时钟、分配系统资源、修改虚存的段表和页表，修改用户的访问权限 等。这类指令使用不慎将导致系统崩溃，因此不能直接向用户程序开放使用这些指令的权限。

非特权指令：

相对于特权指令来说的普通指令，任何程序都可以使用，比如运算指令等。

1.2 两种处理器状态

CPU 的核心态或者用户态可以看作一种状态，一种模式或者一种级别。

核心态（目态）：当处于核心态时，可以使用特权指令或者非特权指令

用户态（管态）：当处于用户态时，只能使用非特权指令

1.3 两种程序

内核程序：运行在核心态下，可以执行特权指令

应用程序：运行在用户态下，为了系统安全着想，它只能执行非特权指令

2. 操作系统的内核

先看计算机系统的结构层次：

重点在 OS 的内核，它是 OS 最基本、最核心的部分。

大内核：

如果内核不仅包括了时钟管理、中断处理以及原语（设备驱动、CPU 切换），还包含了进程管理、存储器管理以及设备管理等功能，那么就属于 大内核 。

大内核虽然使得内部代码非常庞大复杂，但是在用户态与核心态之间的切换，相对来说是很快的，这是因为大内核集成了进程管理、存储器管理等；

微内核：

如果内核仅由时钟管理、中断处理以及原语（设备驱动、CPU 切换）构成，那么这种内核属于 微内核 ；

微内核的代码结构相对来说就很清晰、便于维护，但是由于微内核只集成了时钟管理、中断处理等这些最最基本的功能，所以在涉及到进程管理、存储器管理等时，就可能需要频繁变态（切换到用户态），而变态是需要消耗时间的，这无疑就会降低运行的性能。

3. 中断机制

3.1 为什么需要中断？

在第一篇笔记中，我们说过，早期的操作系统只能串行跑程序，一个完成之后才能轮到下一个，这种情况下资源利用率显然是很低的；于是后来有了多道批处理系统，可以并发执行程序，为什么能够并发执行呢？这其实依赖于中断机制。

• CPU 从用户态切换到核心态，能且 只能通过 中断 这一途径
• 而从核心态切换到用户态，只需要执行一个特权指令

3.2 中断的分类

• 内中断（异常、例外、陷入）：内中断的中断信号来自于 CPU 内部，和执行的指令有关

  • 自愿中断：比如 系统调用 这一指令中断
  • 强迫中断：硬件故障、软件中断（比如不合法的运算）

• 外中断（狭义的中断）：外中断的中断信号来自于 CPU 外部，和执行的指令无关

  • 外设请求：比如 I/O 操作完成后发出的中断信号
  • 人工干预：比如用户强行终止进程

此外，还有另一种分类方式：

• 硬中断：是由诸如磁盘，网卡，键盘，时钟等的外设发出中断信号的
• 软中断：是执行中断指令产生的，通常是一些对 I/O 的请求

3.3 中断的过程演示

我们用一个过程来演示中断的发生：

（Session 1）时间片用完了：

比方说，现在有个 A 进程正在用户态下运行。一段时间后，该进程消耗完了本次的时间片，那么操作系统内核中的计时部件知道时间到了，就会向 CPU 发射一个中断信号。CPU 接收到中断信号后，肯定要针对本次 中断 进行处理，但是它自己是无法处理的，需要 借助操作系统 内核的中断处理程序处理，而该程序又需要运行在核心态下，所以，此时 CPU 由一开始的用户态切换成了核心态。操作系统内核的中断处理程序针对中断信号进行处理，发现原来是 A 进程的时间片用完了，应该轮到 B 进程运行了，那么它就会把 CPU 使用权移交给 B 进程，让 B 进程开始运行，此时 CPU 也切换回用户态。

（Session 2）要进行输出：

B 进程正常运行，这时候执行到的某一行代码要求进行输出操作。前面我们说过，输入输出是特权指令，B 作为一个普通的用户程序来说，是不能直接执行特权指令的，因此，B 进程通过系统调用的方式向 CPU 发射一个中断信号，CPU 接收到中断信号后，肯定要针对本次 中断 进行处理，但是它自己是无法处理的，需要 借助操作系统 内核的中断处理程序处理，而该程序又需要运行在核心态下，所以，此时 CPU 由一开始的用户态切换成了核心态。操作系统内核的中断处理程序针对中断信号进行处理，发现原来是 B 进程要进行输出，那么它就会让打印机这一 I/O 设备开始工作。对于 B 进程，此时它要暂停运行，等待 I/O 完成。而这段空闲的时间不能浪费，所以操作系统就会把 CPU 使用权移交给 C 进程，让 C 进程开始运行，此时 CPU 也切换回用户态。

（Session 3）输出完成了：

现在，C 进程和 I/O 设备并发运行，在 I/O 设备搞定了自己的工作后，它会向 CPU 发射一个中断信号。一如既往地，CPU 再次变成核心态，操作系统介入，发现原来是输出工作完成了，应该让上次暂停的 B 进程继续运行了，那么它就会把 CPU 使用权再次移交给 B 进程，让 B 进程往后运行，此时 CPU 也切换回用户态。

##