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作业系统概论

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第1章作业系统概论本章提要作业系统结构简介作业系统相关之硬体知识本书大纲简介
实作探险记:Windows 2000作业系统架构简介1-1 作业系统结构何谓作业系统电脑系统中的一组系统软体,用来管理整个电脑系统中的硬体与其他软体担任使用者与硬体间的桥梁
作业系统的设计目的:简便性效率性演进性作业系统核心(Kernel)
负责电脑运作所不可或缺的重要功能,包括:行程管理记忆体管理档案系统管理装置管理严格说起来,作业系统核心比较像是一个函式库,其中包含的函式会在系统呼叫、中断、或例外中断中被叫用.
作业系统种类
批次作业系统:由监督器常驻在记忆体中、负责从输入装置将一个任务(job)读入记忆体中、再把控制权交给这个任务.
多元程式系统:在系统记忆体中同时放入几个任务,就可以在某个任务忙於IO的时候,让CPU执行其他的任务
分时作业系统:提供了行程与使用者间的互动能力
个人电脑作业系统:以使用者的方便性和回应能力为主要发展方向
分散式作业系统:联合多部独立电脑,而以单一电脑的形式呈现在使用者面前
即时作业系统:一种特殊目的作业系统;用来确保任务能在指定的时间之内完成
手持式系统:诸如个人数位助理(PDA)或行动电话之类的系统微核心技术(microkernel)很小的核心程式将原本庞大核心中所有不必要的模组尽量移出、改由伺服行程来提供较高阶的功能只在核心中留下行程管理,记忆体管理,与行程间通讯等功能利用行程间通讯的系统呼叫、将服务请求送给档案系统伺服行程采用微核心的优点独立的伺服行程可以随时启动,甚至於不需要重新开机「瘦身」后的微核心也比较容易实作,修改、甚至於移植到新的硬体上微核心很适用於分散式系统的设计提供更安全可靠的执行环境1-2 硬体-电脑系统的组成试算表编译器文书编辑程式资料库电脑游戏系统程式与应用程式作业系统硬体使用者图1-2 CPU的组成程式计数器指令暂存器程式状态字组暂存器算术逻辑单元控制逻辑CPU记忆体程式区段中的某个指令CPU的运作流程
指令撷取:从程式计数器所指向的记忆体位址中、撷取出这个周期所要执行的指令,放入指令暂存器中
指令解码:针对取出指令的运算码进行解码、以决定要执行何种运算
常见的基本运算类型包括:搬移,计算,分支,函式呼叫、输入输出
资料撷取:根据解码结果,撷取记忆体中的资料做为运算所需的运算元
指令执行:执行指定的运算
资料储存:视需要将计算结果回存到记忆体中何谓暂存器位於CPU之中的一些小小记忆体,它的存取速度比主记忆体快得多,但是所储存的资料量则比主记忆体少得多
可以分为3类:
资料暂存器:用来暂时存放指令运算所需的资料
位址暂存器:用来储存位址相关资讯,包括索引暂存器,区段指标暂存器,堆叠指标暂存器等
状态与控制暂存器:例如程式计数器,指令暂存器,以及记录状态资讯的程式状态字组图1-3 简化的电脑指令范例运算码记忆体位址(a) 指令格式将暂存器A,B的值相加,放入暂存器A中
0010 将暂存器A中的值写入记忆体
0011 将资料从记忆体载入暂存器B
0001 将资料从记忆体载入暂存器A描述(b) 前4个运算码列表图1-4 指令执行范例(一)记忆体暂存器A暂存器B(a) 撷取位址100的指令(b) 撷取位址216的资料图1-4 指令执行范例(二)
(c) 撷取位址102的指令(d) 撷取位址218的资料图1-4 指令执行范例(三)
(e) 撷取位址104的指令
001 7 (f) 将AB的值放回暂存器A图1-4 指令执行范例(四)
(g) 撷取位址106的指令
108 (h) 将资料写回位址216中断由周边装置或计时器送给CPU的信号,代表需要尽快处理的某个事件中断事件的处理不能对使用者程式的执行结果造成干扰
中断的处理:CPU先完成目前的指令跳出正常的执行步骤,执行中断处理常式,完成中断事件的处理再回到原本的程式,继续下个指令的执行处理中断之前、必须先储存原本程式的各个旗标和暂存器内容、在处理完成之后再回复原状.
图1-5 程式计数器在中断处理时的变化FFCFFE中断处理程式起始位址系统堆叠区段(a) 中断发生前
010 0 (b) 跳到中断处理程式时(c) 继续执行程序呼叫与堆叠的运作
程序呼叫的过程:CPU先从原先呼叫的程式,跳到被呼叫的程序执行被呼叫的程序再跳回原本程式呼叫的下一个指令继续执行
返回位址的保存:利用堆叠
堆叠的资料结构:后进先出式的串列
管理堆叠的3个指标:堆叠基底,堆叠上限,堆叠指标图1-6 堆叠的结构与指标未使用已使用预留的堆叠区段堆叠上限堆叠指标堆叠基底「推」进去「弹」出来利用堆叠来控制程序呼叫与返回在呼叫程序时,先将返回位址与参数推入堆叠中、再跳到程序的起始位址执行被呼叫的程序可以从堆叠中取得所需的参数,也可以将执行结果透过堆叠传回堆叠技术可以很简便地处理巢状呼叫越内圈呼叫的返回位址会在堆叠的越上方只要循序弹出就可回到正确的位置.
堆叠溢位:因为程式设计错误,造成配置给行程之堆叠空间用完的问题图1-7 巢状程序呼叫与堆叠Call ACall B(a) 堆叠的初始状态程序A程序BReturn;
(b) 呼叫程序A之后Main的返回位址main(c) 呼叫程序B之后(d) 从程序B返回(e) 返回主程式巢状的程序呼叫硬体支援的保护如果有个执行中的程式进入了无穷回圈,作业系统本身将无法重新取得CPU的控制权必须依赖计时器在工作执行超过预设的时间时产生中断、以便将控制权转回给作业系统在分时系统中、计时器更被用来控制每个行程所能执行的时间配额在多工的环境下,如果执行中的程式可以很轻易地存取到所有的记忆体,或是送出非法的IO命令,就可能随意地改写其他使用者、甚至於作业系统的资料内容必须依赖硬体的设计,以侦测出程式设计的错误,或是恶意的程式设计当遇到这种情形的时候,CPU会触发例外中断例外中断的处理方式与IO中断类似,但作业系统有时会直接终止该程式的执行双重模式运作电脑硬体必须支援具有不同权限的双重模式运作:分为高权限的核心模式,与一般使用者权限的使用者模式记录在PSW的模式位元中
特权指令:会影响作业系统或其他程式运作的运算只有在核心模式下才能执行用来避免作业系统受到使用者的破坏,同时保护使用者不会互相干扰系统呼叫一组特殊的函式,作为使用者行程与作业系统间的介面,以透过作业系统进行特权运算透过给定的程序,可以限制使用者的行为、不至於发生不正确或不合法的运算相当於是一种软体中断、用来处理特权指令,并且进行两种模式间的切换也称为陷阱系统管理者vs.核心模式Unix中具有系统管理者(root)权限的使用者具有特殊的权利,可以读写任意档案,或是结束任意行程但管理者权限与核心模式并不一样.作业系统核心会赋予系统管理者所执行的应用程式较高的权限,但这些程式仍旧是在使用者模式下执行Linux的系统呼叫流程将大部分暂存器的内容储存在核心的堆叠中.判断系统呼叫编号是否超过系统呼叫分派表的边界.如果超过,则跳至第4步结束系统呼叫、并传回负数给行程,表示有错误发生.
呼叫系统呼叫分派表中对应的系统呼叫服务常式,例如sys_open执行离开图1-8 Linux系统呼叫的执行范例open
;iret使用者模式核心模式1-3 内容架构
第1章:作业系统概论.
第2章:行程管理.
第3章:行程间通讯与同步.
第4章:记忆体管理.
第5章:虚拟记忆体.
第6章:档案系统管理.
第7章:装置管理.
第8章:安全性实作探险记-Windows 2000的作业系统架构利用分层式架构,来简化系统的设计与管理经过微软修正后的微核心架构将一些微核心之外的系统功能放在核心模式下执行、以减少行程执行时的模式切换,提升系统效能提供高移植性利用阶层式结构来隔离下层的硬体特性分层式设计的特性程式设计模组化的方式之一将系统分为数个层级,每一层负责特定的任务,遮蔽其下的各种操作,透过介面提供特定的服务给上一层使用
分层式设计的优点:简化复杂的问题各层级的独立性高维护容易
分层式设计的主要问题:很难适当地定义每个层级的工作内容分层式设计的效率通常会比没有分层来得差图1-9 Windows 2000的架构系统管理层API系统管理层装置驱动程式微核心硬体抽象层硬体介面(汇流排,IO,中断、计时器,时钟,DMA,快取等)NTDLL.DLL系统支援行程伺服行程应用程式环境子系统环境子系统DLLWindows 2000核心模式的阶层
硬体抽象层:负责将高阶的硬体命令转换为特定硬体平台的命令
微核心:由作业系统最基础的元件所组成
装置驱动程式:包含档案系统与周边装置驱动程式
系统管理层:提供使用者模式的程式开发所需的应用程式介面(API),以及各项特定的系统功能使用者模式下的行程类别
系统支援行程:不属於Windows 2000作业系统的一些服务,如登录服务与会谈管理员
伺服行程:在微核心架构下,从核心中移出来的伺服行程,例如事件记录器
环境子系统:提供Win32,Posix,与OS2的作业系统环境
使用者应用程式:可以直接执行 3.1,与MS-DOS的应用程式

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