操作系统是资源的管理者。采用表格（或数据结构）来记载各资源信息，从而实现对资源的管理、维护、更新等。

操作系统的控制结构

一、进程控制结构

1. 进程位置

进程的物理存在是什么？

• 进程对应的程序
• 进程对应的数据
• 栈：存放过程调用的地址或参数
• 进程的属性：如ID、状态、内存中的位置等

进程映像（Process Image）：程序段+数据段+进程控制块（PCB）+栈

2. 进程属性

进程控制块的作用

• 进程存在的唯一标志

• PCB（process control block）常驻内存

进程控制块中的信息

• 进程标识符

• 处理机状态信息

• 进程控制信息

3. 进程控制块中的信息

进程标识符

唯一地标识一个进程

• 内部标识符：操作系统为每个进程赋予的一个唯一整数，便于系统控制

• 父进程标识符：用于标识父进程

• 用户标识符：标识创建进程的用户

处理机状态信息

主要是由处理器的各种寄存器中的内容组成的

• 通用寄存器(用户可见寄存器)

  • 通常有8-32个，暂存信息

• 控制和状态寄存器

  • 程序计数器：存储下一条即将执行的指令的地址
  • 控制和状态寄存器：程序状态字(PSW)寄存器，如Intel X86的EFLAGS寄存器，存放条件码(是否溢出、进位等)、执行方式(内核或用户模式)、中断屏蔽标志等

• 栈指针

  • 存放过程和系统调用参数及调用地址

进程控制信息

与进程调度和进程切换有关的信息

• 调度和状态信息

  • 进程状态：进程的当前状态，以及是否准备好运行
  • 进程优先级
  • 进程调度所需的其它信息，如进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等
  • 事件，指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因

• 链接指针

  • 如同一状态进程的链接；父子进程的链接

• 进程间通信

  • 指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等

• 程序和数据的地址

  • 指分配给进程的段表或页表的指针

• 资源所有权和使用情况

  • 指示进程控制的资源，如打开的文件，处理器或其他资源的使用历史情况(供调度器使用)

4. 进程控制块的组织方式

索引方式

系统根据所有进程的状态建立几张索引表。

链接方式

通过链接指针将PCB块连接起来，形成队列。

1. 单一队列：所有PCB块连接成一个队列

2. 多级队列：相同状态的PCB块连接成一个队列

二、内核功能

内核(操作系统的核心)：

• 操作系统中包含重要系统功能的部分。
• 常驻内存，便于提高操作系统运行效能。

不同操作系统对内核的功能范围的设定不同。

通常而言，操作系统内核的功能包括：

• 资源管理功能
• 支撑功能

1. 资源管理功能

• 进程管理

  • 进程创建和终止
  • 进程的调度和分派
  • 进程切换
  • 进程同步和进程间通信的支持
  • 管理进程控制块

• 存储管理

  • 为进程分配地址空间
  • 交换
  • 页和段管理

• I/O设备管理

  • I/O缓冲区的管理
  • 为进程分配I/O通道和设备等

2. 支撑功能

• 中断处理

  • 中断处理既是内核的基本功能，也是整个操作系统赖以活动的基础，操作系统的一切重要活动最终都依赖于中断。

• 时钟管理

  • 操作系统的很多功能都依赖于时钟，如时间片控制等。

• 记账（统计、监测）功能

三、执行模式

1. 模式

大多数处理器至少支持两种模式：

• 与操作系统相关的处理器模式——内核模式(系统模式/控制模式)

• 与用户程序相关的处理器执行模式——用户模式

• 某些指令只能在特权模式下运行

  • 读取和修改程序状态字之类的控制寄存器的指令
  • 原始I/O指令
  • 与内存管理相关的指令

• 部分内存只能在特权模式下访问

为什么采用两种模式？

保护操作系统和重要的操作系统表(如PCB)不受程序干扰。

处理机如何知道它在什么模式下执行?

程序状态字PSR寄存器中存在指示执行模式的位

• 当用户调用操作系统服务或中断促发系统例程时，相关位被置为内核模式

• 当从系统服务返回用户进程时，相关位被置为用户模式

2. 模式切换

系统模式和用户模式之间的相互转换。

出现中断时，系统会作如下工作：

• 将程序计数器置为中断处理程序的开始地址
• 从用户模式切换到内核模式，以便中断处理能执行特权指令

模式切换的原因(用户→系统)

系统调用或中断

模式切换是否会必然导致进程切换?

不一定 (如I/O中断不一定伴随进程切换)