操作系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)教學內(nèi)容計算機三總線硬件結(jié)構(gòu)CPU結(jié)構(gòu)CPU的態(tài)內(nèi)存時鐘中斷系統(tǒng)基本輸入輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)啟動過程計算機虛擬化和虛擬機操作系統(tǒng)的生成教學重點CPU的態(tài)中斷系統(tǒng)基本輸入輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)啟動過程操作系統(tǒng)的生成教學難點CPU的態(tài)中斷系統(tǒng)操作系統(tǒng)啟動過程2.1計算機三總線硬件結(jié)構(gòu)2.1計算機三總線硬件結(jié)構(gòu)計算機的硬件結(jié)構(gòu)CPU、內(nèi)存和外設(shè)。地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線2.2CPU結(jié)構(gòu)2.2CPU結(jié)構(gòu)CPU在邏輯上可以劃分成3個單元，分別是控制單元、運算單元和寄存器單元，這3部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。2.3CPU的態(tài)2.3CPU的態(tài)基本的態(tài)有3種：核態(tài)、用戶態(tài)、管態(tài)。核態(tài)，即操作系統(tǒng)核心程序運行時所處的狀態(tài)。核態(tài)具有最高的特權(quán)級別。用戶態(tài)，即用戶程序運行時的狀態(tài)，它具有較低的特權(quán)級別，又稱為目態(tài)。管態(tài)，是一個模棱兩可的中間狀態(tài)，其權(quán)限介于核態(tài)和用戶態(tài)之間。2.3CPU的態(tài)Intelx86架構(gòu)的CPU支持4個特權(quán)級分別稱為Ring0，Ring1，Ring2，Ring3，其中，Ring0級權(quán)限最高，Ring3級權(quán)限最低。特權(quán)指令包括（1）改變CPU狀態(tài)的指令；（2）修改特殊寄存器的指令；（3）涉及外部設(shè)備的輸入輸出指令。2.3CPU的態(tài)用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)主要有三種情形系統(tǒng)調(diào)用異常外部設(shè)備的中斷2.4內(nèi)存2.4內(nèi)存內(nèi)存也叫主存儲器（MainMemory），簡稱主存。內(nèi)存是計算機系統(tǒng)存放運行時指令與數(shù)據(jù)的半導體存儲器單元，通常分為只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM）、隨機存儲器（RandomAccessMemory，RAM）和高速緩存存儲器（Cache）等三種類型。2.5時鐘2.5時鐘計算機設(shè)置有一個硬件定時器，它能夠定時向處理器發(fā)出時間信號。Intel8253A芯片2.5時鐘計數(shù)器的結(jié)構(gòu)每個計數(shù)器通過3個引腳和外部聯(lián)系：時鐘輸入端CLK，門控信號輸入端GATE，輸出端OUT。每個計數(shù)器支持多達6種工作方式，不同工作方式下OUT輸出的波形、計數(shù)的啟動方式、計數(shù)初值裝入方式都有差異，以滿足不同應(yīng)用場合。2.6中斷系統(tǒng)2.6中斷系統(tǒng)中斷是CPU對突發(fā)外部事件的一種反應(yīng)機制CPU收到外部信號（中斷信號）后，停止當前工作，自動轉(zhuǎn)去調(diào)用事先準備好的中斷服務(wù)程序處理外部事件，待處理完畢后再回到原來工作的中斷處（斷點）繼續(xù)工作的過程或機制。2.6中斷系統(tǒng)中斷源和分類引起中斷的原因，或者能夠發(fā)出中斷請求信號的來源統(tǒng)稱為中斷源。自愿中斷和強迫中斷強迫中斷是指主程序沒有預期的意外中斷。例：外設(shè)產(chǎn)生的中斷、程序運行的錯誤、硬件意外錯誤等。自愿中斷是指主程序事先安排的中斷。例：程序員在程序中調(diào)用訪管指令訪問系統(tǒng)服務(wù)或資源引發(fā)的中斷。內(nèi)部中斷和外部中斷內(nèi)部中斷是由CPU內(nèi)部事件或執(zhí)行訪管指令產(chǎn)生的。外部中斷也簡稱中斷。外部中斷由CPU外部的設(shè)備產(chǎn)生對CPU的請求而引發(fā)。2.6中斷系統(tǒng)斷點發(fā)生中斷時程序被打斷的暫停點稱為斷點。斷點的本質(zhì)就是中斷發(fā)生時，主程序?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令的地址，這個地址就是中斷發(fā)生時CS和IP兩個寄存器的值。廣義上的斷點包含CS、IP、FLAGS、SS和SP等5個寄存器，有時僅包含CS、IP和FLAGS等3個寄存器狹義上的斷點僅包括CS和IP等2個寄存器。2.6中斷系統(tǒng)現(xiàn)場現(xiàn)場是指中斷發(fā)生時CPU中相關(guān)寄存器值的集合。廣義上，現(xiàn)場可以包含斷點信息、FLAGS、SS和SP等寄存器。狹義上，現(xiàn)場數(shù)據(jù)不包含斷點信息，而僅包含其余寄存器中那些可能受中斷服務(wù)程序影響的寄存器，例如AX，BX等寄存器。2.6中斷系統(tǒng)中斷服務(wù)程序處理中斷源中斷事件的程序稱為中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序是事先已準備好的一個特殊函數(shù)，該函數(shù)的調(diào)用由系統(tǒng)自動完成。中斷服務(wù)程序的一般結(jié)構(gòu)（1）保護現(xiàn)場（2）開中斷（3）中斷服務(wù)主體（4）恢復現(xiàn)場（5）中斷返回2.6中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程是指從CPU的INT引腳收到外設(shè)中斷請求（或內(nèi)部中斷產(chǎn)生）開始，到系統(tǒng)完成相應(yīng)的中斷服務(wù)并返回到原來主程序的全過程。（1）識別中斷源（2）保護斷點（3）保護現(xiàn)場（4）進入中斷服務(wù)程序（5）恢復現(xiàn)場（6）中斷返回2.6中斷系統(tǒng)中斷響應(yīng)過程2.6中斷系統(tǒng)中斷嵌套高優(yōu)先級中斷打斷低優(yōu)先級中斷服務(wù)的嵌套處理過程2.7基本輸入輸出系統(tǒng)2.7基本輸入輸出系統(tǒng)基本輸入輸出系統(tǒng)BasicInputOutputSystem，BIOS是被固化到計算機中的一組程序，也是計算機加電啟動后運行的第一個軟件，為計算機提供最初級的、最直接的硬件操控。2.7基本輸入輸出系統(tǒng)1．加電自檢及初始化加電自檢（PowerOnSelfTest，簡稱POST）用于計算機剛接通電源時對基礎(chǔ)硬件的檢測和基本軟件環(huán)境的初始化。2．設(shè)置CMOS參數(shù)CMOS設(shè)置程序幫助用戶設(shè)置基本的系統(tǒng)參數(shù)。3．系統(tǒng)啟動系統(tǒng)啟動的功能是加載并引導某種操作系統(tǒng)啟動。4．基本輸入輸出處理程序為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)提供硬件接口服務(wù)，通過中斷服務(wù)指令的形式來實現(xiàn)的。2.7基本輸入輸出系統(tǒng)常見的BIOS中斷服務(wù)中斷類型號功能中斷類型號功能10H顯示器I/O調(diào)用18HROMBASIC入口11H獲取設(shè)備配置調(diào)用19H自舉程序入口12H獲取存儲器大小調(diào)用1AH時間日期調(diào)用13H軟盤I/O調(diào)用1BHCtrl-Break控制14H異步通信口調(diào)用1CH定時處理15H磁帶I/O調(diào)用1DH顯示器參數(shù)表16H鍵盤I/O調(diào)用1EH軟盤參數(shù)表17H打印機I/O調(diào)用1FH字符點陣結(jié)構(gòu)參數(shù)表2.8操作系統(tǒng)啟動過程2.8操作系統(tǒng)啟動過程教學內(nèi)容操作系統(tǒng)啟動概述Linux啟動過程主引導記錄 GRUB引導 Linux0.11啟動過程 教學重點2.8.1操作系統(tǒng)啟動概述2.8.1操作系統(tǒng)啟動概述啟動過程分為3個階段初始引導、核心初始化和系統(tǒng)初始化。1．初始引導初始引導階段由BIOS中的啟動代碼運行開始，直到把操作系統(tǒng)的內(nèi)核加載到內(nèi)存的適當位置，并將CPU控制權(quán)交給內(nèi)核為止。2．核心初始化核心初始化主要由內(nèi)核完成，目的是初始化系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，并繼續(xù)加載操作系統(tǒng)除內(nèi)核之外的其余部分到內(nèi)存。3．系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化階段依然由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成，繼續(xù)初始化計算機系統(tǒng)，并最終把操作系統(tǒng)的桌面或控制臺準備好。2.8.2Linux啟動過程2.8.2Linux啟動過程在Linux啟動過程的系統(tǒng)初始化階段中，內(nèi)核主要創(chuàng)建init進程，利用它初始化系統(tǒng)環(huán)境。init進程是系統(tǒng)所有進程的起點，它的進程號為1。初始化腳本文件/etc/inittab通常包含以下工作。（1）設(shè)置鍵盤（2）設(shè)置字體（3）裝載模塊（4）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)（5）配置用戶環(huán)境（6）啟動登錄用戶Shell的getty進程2.8.2Linux啟動過程init進程啟動登錄流程2.8.3主引導記錄2.8.3主引導記錄主引導記錄（MasterBootRecord，MBR）主啟動扇區(qū)，是計算機開機后訪問硬盤時必須要讀取的首扇區(qū).它在硬盤上的CHS（柱面，磁頭，扇區(qū)）地址為（0，0，1）。主啟動扇區(qū)的大小為512字節(jié)，最后兩個字節(jié)如果是0x55和0xAA，則表明這個設(shè)備可以用于啟動。2.8.3主引導記錄主引導記錄的作用主引導記錄中通常為硬盤引導程序BootLoader或更強功能的啟動管理程序，它的作用如下。（1）提供菜單：用戶可選擇不同的啟動項目。（2）加載核心文件：直接指向可啟動的程序段加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。（3）跳轉(zhuǎn)到其他Loader：跳轉(zhuǎn)到其他PBR中的BootLoader以加載特定的操作系統(tǒng)。MBR程序例子在屏幕上顯示“HelloMBR!”字符串然后停住不動。稍微復雜的MBR程序功能是將0號驅(qū)動器、0號柱面、0號磁頭、2號扇區(qū)開始的連續(xù)4個扇區(qū)讀入內(nèi)存絕對地址0x90200處。2.8.4GRUB引導2.8.4GRUB引導GRUB（GrandUnifiedBootLoader）一款強大的多重開機引導器，不僅可以對各種發(fā)行版本的Linux進行引導，也可以用來加載BSD、UNIX與Windows等通用操作系統(tǒng)。2.8.5Linux0.11啟動過程2.8.5Linux0.11啟動過程Linux0.11的引導程序包括/boot目錄下的三個程序bootsect.S、setup.S和head.SLinux0.11內(nèi)核在磁盤上的分布初始化階段主要由函數(shù)main()完成函數(shù)main()首先對物理內(nèi)存各部分進行功能劃分與分配，然后調(diào)用內(nèi)核各模塊的初始化函數(shù)，包括內(nèi)存管理、中斷處理、塊設(shè)備與字符設(shè)備、進程管理、緩沖區(qū)管理以及硬盤和軟盤等硬件的初始化處理函數(shù)。完成各模塊的初始化操作后，系統(tǒng)已經(jīng)處于可運行狀態(tài)。初始化階段主要由函數(shù)main()完成2.9計算機虛擬化和虛擬機2.9計算機虛擬化和虛擬機教學內(nèi)容計算機虛擬化虛擬機 教學重點2.9.1計算機虛擬化 2.9.1計算機虛擬化 虛擬化虛擬化實質(zhì)上是一種資源管理技術(shù)，它能將計算機的各種實體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、處理器、內(nèi)存、外儲等，予以抽象和轉(zhuǎn)換后重新呈現(xiàn)出來，以打破實體結(jié)構(gòu)間不可切割的障礙，使用戶能以比原本的組態(tài)更好的方式來使用和共享這些資源。虛擬化形式上是一個同構(gòu)2.9.1計算機虛擬化 虛擬化虛擬化形式上是一個同構(gòu)2.9.1計算機虛擬化 虛擬化技術(shù)分類指令級虛擬化硬件級虛擬化操作系統(tǒng)級虛擬化編程語言級虛擬化程序庫級虛擬化2.9.2虛擬機2.9.2虛擬機虛擬機虛擬機是指在一個硬件平臺上模擬多個相互獨立的、ISA結(jié)構(gòu)與實際硬件相同的虛擬硬件系統(tǒng)。虛擬機的實現(xiàn)通常要用到虛擬機監(jiān)視器（VMM）。VMM的主要功能是基于物理資源創(chuàng)建相應(yīng)的虛擬資源，組成虛擬機，并為客戶機操作系統(tǒng)提供虛擬的平臺。VMM的主要實現(xiàn)形式有3種獨立監(jiān)控模式、宿主模式和混合模式。2.9.2虛擬機獨立監(jiān)控模式VMM直接運行在裸機上，可以管理和使用底層的硬件資源，具有最高的特權(quán)級。2.9.2虛擬機宿主模式VMM作為一個應(yīng)用程序運行在主機操作系統(tǒng)中。VMM可以充分利用宿主操作系統(tǒng)所提供的設(shè)備驅(qū)動和底層服務(wù)來進行內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度以及資源管理等工作。2.9.2虛擬機混合模式混合模式集成了前兩種模式的優(yōu)點。它在結(jié)構(gòu)上與獨立監(jiān)控模式類似，直接運行在裸機上，具有最高特權(quán)級，在其上運行虛擬機。但它把大部分I/O設(shè)備的控制交由運行在特權(quán)虛擬機中的特權(quán)操作系統(tǒng)來控制，而且VMM的虛擬化職責也被特權(quán)操作系統(tǒng)所分擔，只有處理器和內(nèi)存的虛擬化由VM