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操作系统的运行机制(详解版)

I/O结构的时候提到,现代操作系统是中断驱动(interrupt driven)的。如果没有进程需要执行,没有 I/O 设备需要服务,而且没有用户需要响应,那么操作系统会静静地等待某个事件的发生。

事件总是由中断陷阱引起的。陷阱(trap,或异常(exception))是一种软件生成的中断,或源于出错(如除数为零或无效存储访问),或源于用户程序的特定请求(执行操作系统的某个服务)。这种操作系统的中断特性规定了系统的通用结构。对于每种中断,操作系统有不同代码段来处理。中断服务程序用于处理中断。

由于操作系统和用户共享计算机系统的硬件和软件,需要确保用户程序的出错仅仅影响自己。由于共享,一个程序错误(bug)可能会对多个进程造成不利的影响。例如,如果一个进程陷入死循环,那么这个死循环可能阻止许多其他进程的正确运行。多道程序系统可能出现更多微妙错误,一个错误程序可能修改另一程序另一程序数据甚至操作系统本身。

如果对这些错误不加以预防,那么计算机只能一次执行一个进程,否则所有输出都值得怀疑。操作系统的正确设计必须确保错误程序(或恶意程序)不会造成其他程序的错误执行。

双重模式与多重模式的执行

为了确保操作系统的正确运行,必须区分操作系统代码和用户代码的执行。大多数计算机系统采用硬件支持,以便区分各种执行模式。

至少需要两种单独运行模式:用户模式(user mode)内核模式(kernel mode)(也称为监视模式(supervisor mode)系统模式(system mode)特权模式(privileged mode))。计算机硬件可以通过一个模式位(mode bit)来表示当前模式:内核模式(0)用户模式(1)

有了模式位,就可区分为操作系统执行的任务和为用户执行的任务。当计算机系统执行用户应用时,系统处于用户模式。然而,当用户应用通过系统调用,请求操作系统服务时,系统必须从用户模式切换到内核模式,以满足请求,如图 1 所示。正如将会看到的,这种架构改进也可用于系统操作的许多其他方面。

用户模式到内核模式的转换
图 1 用户模式到内核模式的转换

当系统引导时,硬件从内核模式开始。操作系统接着加载,然后开始在用户模式下执行用户程序。一旦有陷阱或中断,硬件会从用户模式切换到内核模式(即将模式位的状态设为 0)。因此,每当操作系统能够控制计算机时,它就处于内核模式。在将控制交给用户程序前,系统会切换到用户模式(将模式位设为 1)。

双重模式执行提供保护手段,以便防止操作系统和用户程序受到错误用户程序的影响。 这种防护实现为:将可能引起损害的机器指令作为特权指令(privileged instruction),并且硬件只有在内核模式下才允许执行特权指令。如果在用户模式下试图执行特权指令,那么硬件并不执行该指令,而是认为该指令非法,并将其以陷阱形式通知操作系统。

切换到用户模式的指令为特权的,其他特权的例子包括 I/O 控制、定时器管理和中断管理等。许多其他特权指令在本书其他部分也会讨论到。

模式概念可以扩展,从而超过两个,这样 CPU 在设置和检测模式时,就会用到多个位。支持虚拟化(virtualization)技术的 CPU 有一种单独模式,用于表示虚拟机管理器(Virtual Machine Manager,VMM)是否正在控制系统。这种模式的特权要多于用户模式,但少于内核模式。这种特权模式可以改变 CPU 状态,以便创建和管理虚拟机。有时,不同的内核组件也会使用不同模式。

需要注意的是,除了模式外,CPU 设计人员也可采用其他方式来区分执行特权。例如,Intel 64 系列的 CPU 有四种特权级别(privilege level)并支持虚拟化,但是没有一个特定的虚拟化模式。

现在看一看计算机系统的指令执行的生命周期。最初,操作系统进行控制,这时指令执行在内核模式。当控制转交到一个用户应用时,模式也设置为用户模式。最终,通过中断、陷阱或系统调用,控制又返回到操作系统。

系统调用为用户程序提供手段,以便请求操作系统完成某些特权任务。系统调用可有多种方式,取决于底层处理器提供的功能。不管哪种,它都是进程请求操作系统执行功能的方法。系统调用通常会陷入中断向量的某个指定位置。这一般可由通用trap指令来完成,不过也有的系统(如 MIPS 系列)由专用syscall指令来完成系统调用。

当要执行系统调用时,硬件通常将它作为软件中断。控制通过中断向量转到操作系统的中断服务程序,并且模式位也设为内核模式。系统调用服务程序是操作系统的一部分。内核检查中断指令,判断发生了什么系统调用;参数表示用户程序请求何种服务。请求所需的其他信息可以通过寄存器、堆栈或内存(内存指针也可通过寄存器传递)来传递。内核首先验证参数是否正确和合法,然后执行请求,最后控制返回到系统调用之后的指令。

如果双重模式没有硬件支持,则操作系统会有严重缺点。例如,MS-DOS 是为 Intel 8088 体系结构而编写的,它没有模式位,因而没有双重模式。运行出错的程序可以通过写入数据而清除整个操作系统,多个程序可以同时写入同一设备,进而可能引起灾难结果。现今的 Intel CPU 确实提供双重模式执行。因此,大多数的当代操作系统,如 Microsoft Windows 7、UNIX 和 Linux,都利用了双重模式的优点,并为操作系统提供了更强保护。

一旦硬件保护到位,就可检测模式错误。这些错误通常由操作系统处理。如果一个用户程序出错,如试图执行非法指令或者访问不属于自己的地址空间内存,则通过硬件陷到操作系统。陷阱如同中断一样,通过中断向量可将控制转到操作系统。当一个程序出错时,可由操作系统来异常终止。这种情况的处理代码与用户请求的异常终止一样。操作系统会给出一个适当的出错信息,并倒出(dump)程序内存。倒出内存信息通常写到文件,这样用户或程序员可检查它,纠正错误并重新启动程序。

定时器

操作系统应该维持控制 CPU,防止用户程序陷入死循环,或不调用系统服务并且不将控制返给操作系统。为了实现这一目标,可以使用定时器(timer)。定时器可设置为在指定周期后中断计算机。指定周期可以是固定的(例如,1/60S)或可变的(例如,1ms〜1s)。可变定时器(variable timer)—般通过一个固定速率的时钟和计数器来实现。操作系统设置计数器。每次时钟滴答时,计数器都要递减。当计数器的值为 0 时,就会产生中断。例如,对于 10 位的计数器和 1ms 精度的时钟,可按时间步长为 1ms 和时间间隔为 1ms~1024ms 来产生中断。

在将控制交到用户之前,操作系统确保定时器已设置好以便产生中断。当定时器中断时,控制自动转到操作系统,而操作系统可以将中断作为致命错误来处理,也可以给予用户程序更多时间。当然,用于修改定时器的指令是特权的。

定时器可以防止用户程序运行过长。一种简单方法是,采用程序允许执行的时间来初始化计数器。例如,能运行 7 分钟的程序可以将计数器设置为 420。定时器每秒产生一次中断,计数器相应递减 1。只要计数器的值为正,控制就返回到用户程序。当计数器的值为负时,操作系统就会中止程序执行,因为它超过了设置的时间限制。

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