ch1-1.4操作系统结构设计专用课件.pptVIP

1.4 操作系统的结构设计 1.4.1 操作系统的构件 1.4.2 整体式结构的操作系统 1.4.3 层次式结构的操作系统 1.4.4 虚拟机结构的操作系统 1.4.5 客户/服务器与微内核结构的操作系统 1.4.6 操作系统的运行模型 1.4.7 Windows 2000/ XP的客户/服务器结构 1.4 .1操作系统的结构设计操作系统结构设计概况(1) 操作系统设计呈现出以下特征： 一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 例如，CTSS、OS/360、Multics 、Windows 2000 操作系统的结构设计概况(2)操作系统结构设计有两层含义 一.是研究操作系统程序的数据结构和控制结构； 二.是组成操作系统程序的构造过程和方法。采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。 操作系统的构件(1) 内核 进程 线程 类程 管程 内 核 (1)概念 内核不是进程，而是提供支持系统运行的基本功能的一组程序模块，内核对硬件处理器及有关资源进行首次改造，以便给进程的执行提供良好的运行环境 (2)分类 微内核 内核很小，仅具有极少的必须功能，其它功能都在核外实现。通过微内核提供的消息传递机制完成其余功能模块间的联系。内核和核外服务程序的开发是分离的 单内核 内核具有较多的功能，运行时是一个大的二进制映像，模块间的联系通过函数或过程调用实现 线程(续) 并发多线程和并发多进程的区别 在一个进程中包含有多个可并发执行的控制流 而不是把多个控制流一一分散在多个进程中 采用进程、管程、类程实现的操作系统中 进程执行过程中若请求使用共享资源，可以调用管程 若要控制私有资源操作，可以调用类程 这样便于使用高级语言来书写操作系统 操作系统的体系结构 操作系统的体系结构可分成 整体式结构 层次式结构 虚拟机结构 客户/服务器 微内核结构 整体式结构的操作系统(续) 1.主要设计思想和步骤 把模块作为操作系统的基本单位 按照功能需要而不是根据程序和数据的特性把整个系统分解为若干模块（还可再分成子模块） 每个模块具有一定独立功能，若干个关联模块协作完成某个功能 明确各个模块之间的接口关系，各个模块间可以不加控制，自由调用 然后，分别设计、编码、调试各个模块 最后，把所有模块连结成一个完整的系统 整体式结构的操作系统(续) 3.主要缺点 模块独立性差 模块之间牵连甚多，形成复杂的调用关系，甚至循环调用，造成系统结构不清晰，正确性难保证 系统功能的增、删、改十分困难 层次式结构的操作系统(续) 2.层次式结构的构造方法 自底向上方法 自底向上方法从裸机开始，逐步添加各层软件，形成越来越接近目标虚拟机的系统 自顶向下方法 自顶向下方法从目标系统出发，通过若干层软件过渡到宿主机器，其实质是对目标系统的逐步求精 虚拟机结构的操作系统(续) 2.基本做法 物理计算机资源通过多重化和共享技术可改变成多个虚拟机 通过用一类物理设备来模拟另一类物理设备，或通过分时地使用一类物理设备，把一个物理实体改变成若干个逻辑上的对应物 物理实体是实际存在的，而逻辑上的对应物是虚幻的、感觉上的 客户/服务器与微内核结构的操作系统(续) 客户/服务器与微内核结构的操作系统(续) 存储管理 为了实现进程级的保护，微内核必须控制地址空间的硬件设施 内核负责把每个虚页面映射到物理页框 而大量的存储管理功能，包括进程地址空间之间的相互保护、页面淘汰算法等功能可在内核外实现 客户/服务器与微内核结构的操作系统(续) I/O和中断管理 微内核不包含特定设备专有的中断处理代码 中断发生时，微内核将中断转换为消息发送给核外用户层中相关的中断处理进程 操作系统的运行模型(续) 从操作系统的运行方式来看，可分成： 非进程内核模型 OS功能(函数)在用户进程内执行的模型 OS功能(函数)作为进程执行的模型 操作系统的运行模型(续) 操作系统的运行模型(续) 操作系统的运行模型(续) OS功能在用户进程内执行模型的进程映像既包含 进程控制块 用户堆栈 用户程序 数据的地址空间 也包括操作系统内核的程序、数据和系统堆栈区 补充：堆和堆栈 堆 是应用程序动态分配的缓冲区，它用来存放其它变量，大小可变，在编译的时候被初始化，也就是预分配存储空间。一个进程可以有多个堆，有一个默认的堆。堆的所有存储单元由分配器和回收器算法管理。C语言中使用malloc和free分配和回收堆，c++使用new和delete分配和回收堆，vc中可以使用自带的堆管理函数。在OS中大部分内存空间由OS分配，而堆由应用程序分配 堆栈 由编译器自动分配释放，