14 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

1、1.4 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計,1.4.1 操作系統(tǒng)的構(gòu)件1.4.2 整體式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)1.4.3 層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)1.4.4 虛擬機結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)1.4.5 客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)1.4.6 操作系統(tǒng)的運行模型1.4.7 Windows 2000/ XP的客戶/服務器結(jié)構(gòu),1.4 .1操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計概況(1),操作系統(tǒng)設計呈現(xiàn)出以下特征： 一是復雜程度高， 二是生成周期長，

2、 三是正確性難保證 。 例如，CTSS、OS/360、Multics 、Windows 2000,操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計概況(2)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計有兩層含義,一.是研究操作系統(tǒng)程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)； 二.是組成操作系統(tǒng)程序的構(gòu)造過程和方法。采用不同的構(gòu)件和構(gòu)造方法可組成不同結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(1),內(nèi)核 進程 線程 類程 管程,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(2)1、內(nèi)核

3、,內(nèi)核不是進程，是提供支持系統(tǒng)運行的基本功能的一組程序模塊，有了內(nèi)核的支撐，進程運行環(huán)境得到改善，安全性得到保證，系統(tǒng)效率就能提高。分類：微內(nèi)核和單內(nèi)核。Linux是單內(nèi)核操作系統(tǒng) ，Mach是微內(nèi)核操作系統(tǒng) ，Windows2000/XP改進的C/S結(jié)構(gòu) 。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(3)Linux的內(nèi)核,Lniux的模組(module) ，一定程度上解決了核心功能的靈活性和可伸縮性問題。Linus曾經(jīng)就結(jié)構(gòu)問題做出過解釋：現(xiàn)代成功的操

4、作系統(tǒng)基本上都不具有微內(nèi)核特性，因此，Linux也不必是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(4)內(nèi)核提供以下三方面功能,1）中斷處理。 2）短程調(diào)度。 3）原語管理。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(5)內(nèi)核的執(zhí)行有以下屬性,1）內(nèi)核是由中斷驅(qū)動的 2）內(nèi)核的執(zhí)行是連續(xù)的 3）內(nèi)核在屏蔽中斷狀態(tài)下執(zhí)行 4）內(nèi)核可以使用特權指令,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(6),內(nèi)核和裸機組成了一臺虛擬機具有以下特性： 1）虛擬機沒有

5、中斷， 2）虛擬機為每個進程提供了一臺虛擬處理器， 3）虛擬機為進程或模塊提供了功能較強的指令系統(tǒng)。,內(nèi)核被觸發(fā)和內(nèi)核處理流程,,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(7)2、進程,進程是并發(fā)程序設計的一個工具，并發(fā)程序設計支撐了多道程序設計,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(8)進程概念使OS結(jié)構(gòu)變得清晰(1),1）一個進程到另一個進程的控制轉(zhuǎn)移由進程調(diào)度機構(gòu)統(tǒng)一管理，不能雜亂無章，隨意進行。 2）進程間的信號發(fā)送、消息傳遞和同步互 斥由通

6、信及同步機制完成，進程無法有意或無意破壞它進程的數(shù)據(jù)。每個進程相對獨立，相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(9)進程概念使OS結(jié)構(gòu)變得清晰(2),3）進程結(jié)構(gòu)較好刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動態(tài)地描述出系統(tǒng)的執(zhí)行過程，具有進程結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)清晰、整齊劃一，可維護性好。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(10)3、線程,進程是系統(tǒng)進行保護和資源分配的單位，而線程則是進程中一條執(zhí)行路徑，每個進程中允許有多個并行執(zhí)行的路徑，線程才是系統(tǒng)進

7、行調(diào)度的單位。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(11)4、管程,管程是管理共享資源的機制，對管程的調(diào)用表示對共享資源的請求與釋放。管程應包含條件變量，當條件不滿足時，可以通過對條件變量做延遲操作使調(diào)用進程等待，直到另一個進程調(diào)用管程過程并執(zhí)行一個釋放操作為止。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(12)5、類程,類程用于管理私有資源，對類程的調(diào)用表示對私有資源的操作。它僅能被進程及起源于同一進程的其它類程或管程嵌套調(diào)用鏈所調(diào)用。其本身也可以調(diào)用其它類程或管程。類程可以

8、看作子程序概念的擴充。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(13)采用進程、管程、類程實現(xiàn)的操作系統(tǒng),進程執(zhí)行過程中若請求使用共享資源，可以調(diào)用管程；若要控制私有資源操作，可以調(diào)用類程，這樣便于使用高級語言來書寫操作系統(tǒng)。1975年，漢森成功地在PDP 11/45機上實現(xiàn)了：單用戶操作系統(tǒng)Solo、處理小作業(yè)作業(yè)流系統(tǒng)和過程控制實時調(diào)度系統(tǒng)等三個層次管程結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。,操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分類,整體式結(jié)構(gòu)層次式結(jié)構(gòu)虛擬機結(jié)構(gòu)客戶服務器及微內(nèi)核結(jié)構(gòu),

9、1.4.2 整體式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)的整體式結(jié)構(gòu)又叫模塊組合法，早期操作系統(tǒng)(如IBM操作系統(tǒng))采用這種結(jié)構(gòu)設計方法， ?主要設計思想： ?主要設計步驟： ?主要優(yōu)點和缺點：,1.4.3 層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(1),層次式結(jié)構(gòu)是把操作系統(tǒng)劃分為內(nèi)核和若干模塊（或進程），這些模塊（或進程）按功能的調(diào)用次序排列成若干層次，各層之間只能是單向依賴或單向調(diào)用關系，這樣不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，而且不

10、構(gòu)成循環(huán)。,層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(2),層次結(jié)構(gòu)的全序和半序式層次結(jié)構(gòu)的由底向上方法 和自頂向下方法,層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(3)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)OS分層原則,1）把與機器硬件有關的程序模塊放在最底層， 2)反映系統(tǒng)外特性的軟件放在最外層， 3)按照實現(xiàn)操作系統(tǒng)命令時模塊間的調(diào)用次序或按進程間單向發(fā)送信息的順序來分層 4)為進程的正常運行創(chuàng)造環(huán)境和提供條件的內(nèi)核程序應該盡可能放在底層。,層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(4),層次

11、結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：整體問題局部化，系統(tǒng)的正確性可通過各層正確性來保證。增加、修改或替換層次不影響其他層次，有利于系統(tǒng)的維護和擴充。層次結(jié)構(gòu)是分層單向依賴的，必須要建立模塊（進程）間的通信機制，系統(tǒng)花費在通信上的開銷較大，系統(tǒng)的效率也就會降低。,層次式結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(5),THE系統(tǒng)第一次提出層次結(jié)構(gòu)設計方法 ? 第0層完成中斷處理、定時器管理和處理器調(diào)度。第1層內(nèi)存和磁鼓管理，為進程分配內(nèi)存空間，并自動實現(xiàn)內(nèi)存和磁鼓對換區(qū)的數(shù)據(jù)交換。第2

12、層處理進程與操作員間的通信，為每個進程生成虛操作員控制臺。第3層I/O管理，管理信息緩沖區(qū)。第4層用戶（進程）層。第5層系統(tǒng)操作員（進程）層。,1.4.4 虛擬機結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(1),基于如下思想，一個分時系統(tǒng)應該提供以下特性： (1) 多道程序， (2) 一個具有比裸機更方便、界面擴展的計算機。 VM/370的主旨在于將此二者徹底地隔離開來。,虛擬機結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(2),物理計算機資源通過多重化和共享技術可改變成多個

13、虛擬機?；咀龇ǎ和ㄟ^用一類物理設備來模擬另一類物理設備，或通過分時地使用一類物理設備，把一個物理實體改變成若干個邏輯上的對應物。物理實體是實際存在的，而邏輯上的對應物是虛幻的、感覺上的。,虛擬機結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(3),,1.4.5 客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(1),1、客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務器結(jié)構(gòu)的思想：將操作系統(tǒng)分成兩大部分， 一是運行在用戶態(tài)并以C/S方式活動的進程; 二是運行在核心態(tài)的內(nèi)核。,客

14、戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(2),客戶/服務器結(jié)構(gòu)的思想(1)每個進程實現(xiàn)一類服務，稱服務器進程(如文件服務、進程管理服務、存儲管理服務、網(wǎng)絡通信服務等)。它的任務是檢查是否有客戶提出服務請求，如果有請求則在滿足客戶的要求后返回結(jié)果，于是，用戶進程與服務器進程形成了C/S關系。,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(3),客戶/服務器結(jié)構(gòu)的思想(2)運行在核心態(tài)的內(nèi)核把該消息傳給服務器;服務器執(zhí)行相應操作，再通過內(nèi)核用消息把結(jié)果

15、返回給用戶。內(nèi)核只實現(xiàn)極少任務，主要起信息驗證、交換的作用，因而，稱微內(nèi)核(Microkernel)，這種結(jié)構(gòu)也就稱為客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(4),,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(5),微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有: 1）一致性接口 2）可擴充性 3）可移植性 4）可靠性 5）支持分布式系統(tǒng) 6）支持面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng),客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(6)2、微

16、內(nèi)核的設計,1）基本的存儲管理 微內(nèi)核支持內(nèi)核外部的頁面管理和虛存管理：   ?轉(zhuǎn)讓（Grant） ?映射 (Map)  ?刷新（Flush）,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(7)內(nèi)核外的頁面管理程序做缺頁處理,,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(8)2）進程間通信,微內(nèi)核操作系統(tǒng)中，進程和線程通信的基本形式是消息。進程間通信基于進程間相關聯(lián)的端口（Ports），一

17、個端口是一個特定進程的消息隊列，與端口相關的是一張能力表，記錄了可以與這個進程通信的進程。,客戶/服務器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(9)3）I/O和中斷管理,,driver thread;do wait for (mhg， sender); if sender = my_hardware_interrupt { read/writer I/O ports; rese

18、t hardware interrut } else …while (true);,1.4.6 操作系統(tǒng)的運行模型(1),操作系統(tǒng)本身是一組程序，也在處理器上運行，那么，操作系統(tǒng)程序是否組織成進程?它是如何控制的、怎樣執(zhí)行的呢?它在什么模式下運行呢? 從操作系統(tǒng)的運行方式來看，可分成：非進程內(nèi)核模型、OS功能(函數(shù))在用戶進程內(nèi)執(zhí)行的模型和OS功能(函數(shù))作為進程執(zhí)行的模型。,操作系統(tǒng)的運行模型(2)1）非進程

19、內(nèi)核模型,,操作系統(tǒng)運行模型(3)2）OS功能在用戶進程內(nèi)執(zhí)行的模型,,操作系統(tǒng)運行模型(4) OS功能在用戶進程內(nèi)執(zhí)行模型的進程映像,,操作系統(tǒng)的運行模型(5)3）OS功能作為獨立進程執(zhí)行的模型,,1.4.7Windows 2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(1),Windows 2000/XP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計目標： 1）可擴充性： 2）可移植性： 3）可靠性與堅固性： 4）兼容性：

20、 5）高性能：,Windiws2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(2),采用基于對象技術，提出了一種C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在純微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的基礎上做了擴展，融合了層次式結(jié)構(gòu)和純微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點。對操作系統(tǒng)性能影響很大的組件放在內(nèi)核下運行，其他功能則在內(nèi)核外實現(xiàn)。主要優(yōu)點是模塊化程度高、靈活性大、便于維護、系統(tǒng)性能好。,Windows2000/XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(3)結(jié)構(gòu)簡框,,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(4),

21、,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(5)1）硬件抽象層HAL,HAL是實現(xiàn)可移植性的關鍵部分，位于硬件最上面和系統(tǒng)的最低層，把系統(tǒng)的內(nèi)核、設備驅(qū)動程序及執(zhí)行體從與平臺相關的硬件差異中分隔開來。HAL隱藏各種與硬件有關的細節(jié)，如系統(tǒng)總線、計時器、I/O接口、DMA、中斷控制器、多處理器通信機制等，對內(nèi)核來說是運行在計算機硬件平臺上的低級接口。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(6)2）設備驅(qū)動程序(1),

22、設備驅(qū)動程序是I/O系統(tǒng)和相關硬件之間的接口，把用戶的I/O函數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)換成特定硬件設備的I/O要求。設備驅(qū)動程序不直接操作硬件，而是調(diào)用HAL來控制硬件的接口。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(7)設備驅(qū)動程序(2),設備驅(qū)動程序包括以下幾類： (1)硬件設備驅(qū)動程序： (2)文件系統(tǒng)驅(qū)動程序： (3)過濾器驅(qū)動程序： (4)網(wǎng)絡重定向程序和服務

23、器：,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(8)3）內(nèi)核,內(nèi)核執(zhí)行操作系統(tǒng)最基本的操作，決定操作系統(tǒng)如何使用處理器并確保慎重使用它們。內(nèi)核提供如下函數(shù)： (1) 線程管理和調(diào)度； (2) 進程切換; (3) 陷阱處理和異常調(diào)度；,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(9),內(nèi)核提供如下函數(shù)： (4)中斷處理和調(diào)度； (5)多處理器同步； (6)提供由執(zhí)行

24、體使用的基本內(nèi)核對象。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(10)4)Windows 2000/XP執(zhí)行體,執(zhí)行體包括五種類型函數(shù)：(1)從用戶態(tài)被導出并且可以調(diào)用的函數(shù)。(2)從用戶態(tài)被導出并且可以調(diào)用的函數(shù)，(3)只能從在 DDK中已經(jīng)導出并且文檔化的核心態(tài)調(diào)用的函數(shù)。(4)在核心態(tài)組件之間調(diào)用的但沒有文檔化的函數(shù)。(5)組件內(nèi)部的函數(shù)。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(11)執(zhí)行體包含下列

25、重要組件,進程和線程管理器虛擬內(nèi)存管理器 安全訪問監(jiān)視器 I/O管理器 高速緩存管理器,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(12)5）NTDLL.DLL,NTDLL.DLL是特殊的系統(tǒng)支持庫，用于子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫。包含兩類函數(shù)： (1)作為Windows XP執(zhí)行體系統(tǒng)服務的系統(tǒng)服務調(diào)度占位程序； (2)子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫、及其他本機映像使用的內(nèi)部支持函數(shù)。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(1

26、3)6）系統(tǒng)進程,Idle進程：System進程和System ：會話管理器SMSS.EXE： WIN32子系統(tǒng)CSRSS.EXE ：登錄進程WinLogon.EXE：本地安全身份身份鑒別服務器進程LSASS.EXE：服務管理器SERVICES.EXE及其相關服務器進程：,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(14)7）服務控制器及服務進程,?一個特殊系統(tǒng)進程，負責啟動、停止和與服務控制器交互，并管理用戶態(tài)進程

27、服務。服務類似于UNIX的守護進程，可配置成在系統(tǒng)引導時自動啟動而不需交互式登錄。 ?服務程序是合法的Win32映象，這些映象調(diào)用特殊Win32函數(shù)以與服務控制器相互使用，例如，注冊、啟動、響應狀態(tài)請求、暫?；蜿P閉服務。一些組件是作為服務來實現(xiàn)的，如，事件日志、假脫機、RPC支持和網(wǎng)絡組件。,Windows2000/ XP客戶/服務器結(jié)構(gòu)(15)8）環(huán)境子系統(tǒng),Win32子系統(tǒng)是將基本的執(zhí)行體系統(tǒng)服務的某些子集提供給應用程序，向用戶