（三）操作系统的运行环境

一、操作系统的运行机制

几个基本概念

• 内核程序  < = = = > 应用程序
• 核心态     < = = = > 用户态
• 特权指令  < = = = > 非特权指令

1. 时钟管理

通过硬件提供

• 计时：提供系统时间
• 时钟中断：比如进程切换

2. 中断机制

• 提高多道程序环境下CPU利用率
  • 例如发生I/O阻塞时，CPU不再继续等待I/O，挂起当前任务先去执行其他任务
• 外中断：中断信号来源于->外部设备
  • 例如来自于I/O设备
• 内中断：中断信号来源于->当前指令
  • 正在运行的的程序引发指令或者发生了一些问题导致中断（也叫：异常/陷入/例外）
    • 陷阱/陷入（Trap）：由应用程序主动引发（不是产生）
    • 故障（Fault）：由错误条件引发
    • 终止（Abort）：由致命错误引发
      

中断处理过程
无论是内中断还是外中断都有对应的中断处理程序

大致分为三个步骤

1. 保存现场
2. 执行中断程序
3. 恢复现场继续执行后面的指令

3. 原语

原语运行在内核空间

• 由若干条指令组成（程序段）
• 用来完成某个特定功能
• 执行过程不会被中断（原子性）
  • 通过关中断、开中断实现

原语是对一组操作的封装，并且这一组操作运行时间较短，不能被中断

4. 系统数据结构

一般只涉及到对数据结构的操作，不涉及硬件

• 进程管理：作业控制块、进程控制块
• 存储器管理：存储器分配与回收
• 设备管理：缓冲区、设备控制块

5. 系统调用

• 有操作系统实现，给应用程序调用
• 是一套接口的集合
• 应用程序访问内核服务的方式

操作系统底层实现了一套接口，提供给应用程序调用，系统调用的处理运行在核心态，通过陷入指令（在用户态执行）的方式实现系统调用

二、操作系统体系结构

1. 传统的操作系统结构（大内核）

第一代：无结构OS

• 一系列过程（程序）的集合，过程间可以互相调用
• 结构复杂且混乱，难以调试、阅读和维护
  

第二代：模块化结构OS：模块-接口法OS

• 给予“分解”和“模块化”原则
• 按照功能划分模块/子模块，规定模块间的接口
• 模块独立性标准：高内聚、低耦合
• 优点：
  • 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性
  • 增强OS的适应性
  • 加速开发过程
• 缺点
  • 模块接口设计难以扩展后续需求
  • 模块设计没有同一决策标准，导致模块接口设计不可靠

第三代：分层式结构OS

• 有序分层法，自顶向下依次依赖
• 设计时，自底向上：每一步建立在可靠的基础上
• 优缺点：
  • 容易保证系统正确性
  • 容易扩充和维护
  • 自上而下的层次通信，导致系统效率降低

2. 微内核OS结构

微内核的基本概念

• 足够小的内核，只实现OS核心功能

  • 与硬件处理紧密相关的部分，比如硬件处理、客户与服务器通信和其它基本功能
  • 一些较基本的功能
  • 客户和服务器之间通信 （客户/服务器模式）

• 应用采用“机制与策略分离”原理

• 采用面向对象技术

微内核的优缺点

• 微内核OS的优点
  • 提高OS的可扩展性、可靠性、可移植性
  • 支持分布式系统
  • 融入了面向对象技术
• 微内核OS的缺点
  • 相较早期OS，降低了一定的效率（用户态、内核态切换次数较 大内核OS 更多）