14 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、1.4 操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(jī)結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)1.4.5 客戶/服務(wù)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(yùn)行模型1.4.7 Windows 2000/ XP的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu),1.4 .1操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況(1),操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出以下特征： 一是復(fù)雜程度高， 二是生成周期長(zhǎng)，

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(shè)計(jì)概況(2)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)程，是提供支持系統(tǒng)運(yùn)行的基本功能的一組程序模塊，有了內(nèi)核的支撐，進(jìn)程運(yùn)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(jìn)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(yǔ)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(dòng)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(quán)指令,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(6),內(nèi)核和裸機(jī)組成了一臺(tái)虛擬機(jī)具有以下特性： 1）虛擬機(jī)沒有

5、中斷， 2）虛擬機(jī)為每個(gè)進(jìn)程提供了一臺(tái)虛擬處理器， 3）虛擬機(jī)為進(jìn)程或模塊提供了功能較強(qiáng)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(jìn)程,進(jìn)程是并發(fā)程序設(shè)計(jì)的一個(gè)工具，并發(fā)程序設(shè)計(jì)支撐了多道程序設(shè)計(jì),操作系統(tǒng)的構(gòu)件(8)進(jìn)程概念使OS結(jié)構(gòu)變得清晰(1),1）一個(gè)進(jìn)程到另一個(gè)進(jìn)程的控制轉(zhuǎn)移由進(jìn)程調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，不能雜亂無章，隨意進(jìn)行。 2）進(jìn)程間的信號(hào)發(fā)送、消息傳遞和同步互 斥由通

6、信及同步機(jī)制完成，進(jìn)程無法有意或無意破壞它進(jìn)程的數(shù)據(jù)。每個(gè)進(jìn)程相對(duì)獨(dú)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(jìn)程概念使OS結(jié)構(gòu)變得清晰(2),3）進(jìn)程結(jié)構(gòu)較好刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動(dòng)態(tài)地描述出系統(tǒng)的執(zhí)行過程，具有進(jìn)程結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)清晰、整齊劃一，可維護(hù)性好。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(10)3、線程,進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和資源分配的單位，而線程則是進(jìn)程中一條執(zhí)行路徑，每個(gè)進(jìn)程中允許有多個(gè)并行執(zhí)行的路徑，線程才是系統(tǒng)進(jìn)

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(jī)制，對(duì)管程的調(diào)用表示對(duì)共享資源的請(qǐng)求與釋放。管程應(yīng)包含條件變量，當(dāng)條件不滿足時(shí)，可以通過對(duì)條件變量做延遲操作使調(diào)用進(jìn)程等待，直到另一個(gè)進(jìn)程調(diào)用管程過程并執(zhí)行一個(gè)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(duì)類程的調(diào)用表示對(duì)私有資源的操作。它僅能被進(jìn)程及起源于同一進(jìn)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(kuò)充。,操作系統(tǒng)的構(gòu)件(13)采用進(jìn)程、管程、類程實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng),進(jìn)程執(zhí)行過程中若請(qǐng)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(jí)語(yǔ)言來書寫操作系統(tǒng)。1975年，漢森成功地在PDP 11/45機(jī)上實(shí)現(xiàn)了：?jiǎn)斡脩舨僮飨到y(tǒng)Solo、處理小作業(yè)作業(yè)流系統(tǒng)和過程控制實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)等三個(gè)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(jī)結(jié)構(gòu)客戶服務(wù)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(shè)計(jì)方法， ?主要設(shè)計(jì)思想： ?主要設(shè)計(jì)步驟： ?主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：,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(jìn)程），這些模塊（或進(jìn)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(guān)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(jī)器硬件有關(guān)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(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)命令時(shí)模塊間的調(diào)用次序或按進(jìn)程間單向發(fā)送信息的順序來分層 4)為進(jìn)程的正常運(yùn)行創(chuàng)造環(huán)境和提供條件的內(nèi)核程序應(yīng)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(diǎn)：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(hù)和擴(kuò)充。層次結(jié)構(gòu)是分層單向依賴的，必須要建立模塊（進(jìn)程）間的通信機(jī)制，系統(tǒng)花費(fèi)在通信上的開銷較大，系統(tǒng)的效率也就會(huì)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(shè)計(jì)方法 ? 第0層完成中斷處理、定時(shí)器管理和處理器調(diào)度。第1層內(nèi)存和磁鼓管理，為進(jìn)程分配內(nèi)存空間，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和磁鼓對(duì)換區(qū)的數(shù)據(jù)交換。第2

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

13、虛擬機(jī)?；咀龇ǎ和ㄟ^用一類物理設(shè)備來模擬另一類物理設(shè)備，或通過分時(shí)地使用一類物理設(shè)備，把一個(gè)物理實(shí)體改變成若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)際存在的，而邏輯上的對(duì)應(yīng)物是虛幻的、感覺上的。,虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)(3),,1.4.5 客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(1),1、客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu) 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的思想：將操作系統(tǒng)分成兩大部分， 一是運(yùn)行在用戶態(tài)并以C/S方式活動(dòng)的進(jìn)程; 二是運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核。,客

14、戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(2),客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的思想(1)每個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)一類服務(wù)，稱服務(wù)器進(jìn)程(如文件服務(wù)、進(jìn)程管理服務(wù)、存儲(chǔ)管理服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)等)。它的任務(wù)是檢查是否有客戶提出服務(wù)請(qǐng)求，如果有請(qǐng)求則在滿足客戶的要求后返回結(jié)果，于是，用戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程形成了C/S關(guān)系。,客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(3),客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的思想(2)運(yùn)行在核心態(tài)的內(nèi)核把該消息傳給服務(wù)器;服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)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(shí)現(xiàn)極少任務(wù)，主要起信息驗(yàn)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(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。,客戶/服務(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(4),,客戶/服務(wù)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(diǎn)有: 1）一致性接口 2）可擴(kuò)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(wù)器與微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(6)2、微

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

17、個(gè)端口是一個(gè)特定進(jìn)程的消息隊(duì)列，與端口相關(guān)的是一張能力表，記錄了可以與這個(gè)進(jìn)程通信的進(jìn)程。,客戶/服務(wù)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(yùn)行模型(1),操作系統(tǒng)本身是一組程序，也在處理器上運(yùn)行，那么，操作系統(tǒng)程序是否組織成進(jìn)程?它是如何控制的、怎樣執(zhí)行的呢?它在什么模式下運(yùn)行呢? 從操作系統(tǒng)的運(yùn)行方式來看，可分成：非進(jìn)程內(nèi)核模型、OS功能(函數(shù))在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型和OS功能(函數(shù))作為進(jìn)程執(zhí)行的模型。,操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型(2)1）非進(jìn)程

19、內(nèi)核模型,,操作系統(tǒng)運(yùn)行模型(3)2）OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型,,操作系統(tǒng)運(yùn)行模型(4) OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行模型的進(jìn)程映像,,操作系統(tǒng)的運(yùn)行模型(5)3）OS功能作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的模型,,1.4.7Windows 2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(1),Windows 2000/XP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)： 1）可擴(kuò)充性： 2）可移植性： 3）可靠性與堅(jiān)固性： 4）兼容性：

20、 5）高性能：,Windiws2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(2),采用基于對(duì)象技術(shù)，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(chǔ)上做了擴(kuò)展，融合了層次式結(jié)構(gòu)和純微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。對(duì)操作系統(tǒng)性能影響很大的組件放在內(nèi)核下運(yùn)行，其他功能則在內(nèi)核外實(shí)現(xiàn)。主要優(yōu)點(diǎn)是模塊化程度高、靈活性大、便于維護(hù)、系統(tǒng)性能好。,Windows2000/XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)框,,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(4),

21、,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(5)1）硬件抽象層HAL,HAL是實(shí)現(xiàn)可移植性的關(guān)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及執(zhí)行體從與平臺(tái)相關(guān)的硬件差異中分隔開來。HAL隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，如系統(tǒng)總線、計(jì)時(shí)器、I/O接口、DMA、中斷控制器、多處理器通信機(jī)制等，對(duì)內(nèi)核來說是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上的低級(jí)接口。,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(6)2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(1),

22、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是I/O系統(tǒng)和相關(guān)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(shè)備的I/O要求。設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(wù)器結(jié)構(gòu)(7)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(2),設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括以下幾類： (1)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序： (2)文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序： (3)過濾器驅(qū)動(dòng)程序： (4)網(wǎng)絡(luò)重定向程序和服務(wù)

23、器：,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)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(jìn)程切換; (3) 陷阱處理和異常調(diào)度；,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)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(duì)象。,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)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(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù)。(2)從用戶態(tài)被導(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù)，(3)只能從在 DDK中已經(jīng)導(dǎo)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(wù)器結(jié)構(gòu)(11)執(zhí)行體包含下列

25、重要組件,進(jìn)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(wù)器結(jié)構(gòu)(12)5）NTDLL.DLL,NTDLL.DLL是特殊的系統(tǒng)支持庫(kù)，用于子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。包含兩類函數(shù)： (1)作為Windows XP執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度占位程序； (2)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、及其他本機(jī)映像使用的內(nèi)部支持函數(shù)。,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(1

26、3)6）系統(tǒng)進(jìn)程,Idle進(jìn)程：System進(jìn)程和System ：會(huì)話管理器SMSS.EXE： WIN32子系統(tǒng)CSRSS.EXE ：登錄進(jìn)程WinLogon.EXE：本地安全身份身份鑒別服務(wù)器進(jìn)程LSASS.EXE：服務(wù)管理器SERVICES.EXE及其相關(guān)服務(wù)器進(jìn)程：,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(14)7）服務(wù)控制器及服務(wù)進(jìn)程,?一個(gè)特殊系統(tǒng)進(jìn)程，負(fù)責(zé)啟動(dòng)、停止和與服務(wù)控制器交互，并管理用戶態(tài)進(jìn)程

27、服務(wù)。服務(wù)類似于UNIX的守護(hù)進(jìn)程，可配置成在系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)而不需交互式登錄。 ?服務(wù)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(wù)控制器相互使用，例如，注冊(cè)、啟動(dòng)、響應(yīng)狀態(tài)請(qǐng)求、暫?；蜿P(guān)閉服務(wù)。一些組件是作為服務(wù)來實(shí)現(xiàn)的，如，事件日志、假脫機(jī)、RPC支持和網(wǎng)絡(luò)組件。,Windows2000/ XP客戶/服務(wù)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(wù)的某些子集提供給應(yīng)用程序，向用戶