操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ppt課件

1、第2章 操作系統(tǒng)構(gòu)造n如何設(shè)計操作系統(tǒng)n調(diào)查所提供的效力n調(diào)查為用戶和程序員提供的接口n研討系統(tǒng)的各個組成部分及其相互關(guān)系操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)效力n操作系統(tǒng)擔(dān)任提供一個環(huán)境以執(zhí)行程序，向程序和運用程序的用戶提供一定的效力。n效力包含許多有用的函數(shù)操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)效力n用戶界面n命令行界面n批界面n圖形用戶界面操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)效力n程序執(zhí)行程序執(zhí)行 系統(tǒng)能將程序裝入內(nèi)存并運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)能將程序裝入內(nèi)存并運轉(zhuǎn)，終了包括正?；虿徽＝K了終了包括正?；虿徽＝K了nI/O 操作操作 用戶通常不能直接控制用戶通常不能直接控制I/O 設(shè)備，設(shè)備，操作系統(tǒng)必需提供進展操作系統(tǒng)必需提供進展I/O 操作的方法

2、。操作的方法。n文件系統(tǒng)操作文件系統(tǒng)操作 程序需求讀、寫、創(chuàng)建、刪程序需求讀、寫、創(chuàng)建、刪除文件除文件操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)效力n通訊通訊 進程間交換信息一種發(fā)生在同一臺計算進程間交換信息一種發(fā)生在同一臺計算機上運轉(zhuǎn)的兩個進程之間，另一種發(fā)生在由計機上運轉(zhuǎn)的兩個進程之間，另一種發(fā)生在由計算機網(wǎng)絡(luò)銜接起來的不同計算機上的進程之間。算機網(wǎng)絡(luò)銜接起來的不同計算機上的進程之間。通訊經(jīng)過共享內(nèi)存或音訊傳送來實現(xiàn)通訊經(jīng)過共享內(nèi)存或音訊傳送來實現(xiàn)n錯誤檢測錯誤檢測 錯誤能夠發(fā)生在錯誤能夠發(fā)生在CPU和內(nèi)存中、和內(nèi)存中、 I/O 設(shè)備中、用戶程序中，對于每種錯誤，操作系設(shè)備中、用戶程序中，對于每種錯誤，操作系統(tǒng)

3、應(yīng)采取適當(dāng)行動，以確保正確和一致的計算統(tǒng)應(yīng)采取適當(dāng)行動，以確保正確和一致的計算n資源分配資源分配 當(dāng)多個用戶登錄到系統(tǒng)上或多個當(dāng)多個用戶登錄到系統(tǒng)上或多個作業(yè)同時執(zhí)行時，系統(tǒng)必需為每個進程分配作業(yè)同時執(zhí)行時，系統(tǒng)必需為每個進程分配資源資源n統(tǒng)計統(tǒng)計 跟蹤記錄哪些用戶運用了多少和什么跟蹤記錄哪些用戶運用了多少和什么類型的計算機資源。這種記錄用于記帳或建類型的計算機資源。這種記錄用于記帳或建立運用統(tǒng)計數(shù)據(jù)立運用統(tǒng)計數(shù)據(jù)n維護維護 確保一切對系統(tǒng)資源的訪問都是受控確保一切對系統(tǒng)資源的訪問都是受控制的，特別是在多用戶計算機系統(tǒng)中制的，特別是在多用戶計算機系統(tǒng)中操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)效力操作系統(tǒng)的用戶界面

4、n用戶與操作系統(tǒng)的界面n命令行界面n圖形用戶界面命令解釋程序命令解釋程序n在 MS-DOS中稱為命令行解釋程序nUNIX中稱為外殼shell (cf. kernel)n作用：獲取并執(zhí)行用戶指定的下一條命令。n文件的創(chuàng)建、刪除、列出、打印、復(fù)制、執(zhí)行命令解釋程序命令解釋程序n執(zhí)行命令的方法：n命令解釋程序本身包含代碼n命令的數(shù)量決議了命令解釋程序的大小n由系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)命令nrm file.txtn搜索名為rm的文件，將文件裝入內(nèi)存，并用參數(shù)file.txt來執(zhí)行。圖形用戶界面nGUI提供基于鼠標(biāo)的窗口和菜單系統(tǒng)作為接口系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用n系統(tǒng)調(diào)用 提供了進程與操作系統(tǒng)之間的接口n調(diào)用通常以匯編言語

5、指令的方式提供n有些言語 (e.g. C, C+)曾經(jīng)取代了匯編言語而直接用于系統(tǒng)編程，允許直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，這時系統(tǒng)調(diào)用通常類似預(yù)定義的函數(shù)或子程序調(diào)用nWin32 application programming interface (API) for Microsoft Windows例：從一個文件讀取數(shù)據(jù)并復(fù)制到另一個文件例：從一個文件讀取數(shù)據(jù)并復(fù)制到另一個文件系統(tǒng)調(diào)用n普通根據(jù)運用程序接口(API)設(shè)計程序nAPI是一系列適用于程序員的函數(shù)，含參數(shù)及前往值nwin32 APInPOSIX APInJava API處置一個調(diào)用open( )系統(tǒng)調(diào)用的用戶運用程序系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用n運轉(zhuǎn)程序

6、向操作系統(tǒng)傳送參數(shù)通常用三種方法運轉(zhuǎn)程序向操作系統(tǒng)傳送參數(shù)通常用三種方法n經(jīng)過存放器來傳送參數(shù)經(jīng)過存放器來傳送參數(shù)n將參數(shù)存放在內(nèi)存的塊或表中，并將塊的地址將參數(shù)存放在內(nèi)存的塊或表中，并將塊的地址作為參數(shù)傳送給存放器作為參數(shù)傳送給存放器n參數(shù)也可放在或壓到堆棧中，并經(jīng)過操作系統(tǒng)參數(shù)也可放在或壓到堆棧中，并經(jīng)過操作系統(tǒng)彈出堆棧。彈出堆棧。參數(shù)作為表傳送系統(tǒng)調(diào)用類型n進程控制進程控制n包括分配釋放內(nèi)存包括分配釋放內(nèi)存n文件管理文件管理n設(shè)備管理設(shè)備管理n信息維護信息維護n通訊通訊進程控制進程控制n正常中斷正常中斷 (退出退出)n非正常中斷非正常中斷 (終止終止)n創(chuàng)建進程創(chuàng)建進程 (fork, e

7、xec),終止進程終止進程n等待時間，事件，信號等待時間，事件，信號, etc. n分配釋放內(nèi)存分配釋放內(nèi)存 (malloc, free)文件管理文件管理n創(chuàng)建，刪除文件創(chuàng)建，刪除文件n翻開翻開, 封鎖封鎖n讀，寫，重定位讀，寫，重定位n獲取，設(shè)置文件屬性獲取，設(shè)置文件屬性設(shè)備管理設(shè)備管理n懇求，釋放設(shè)備懇求，釋放設(shè)備n讀，寫，重定位讀，寫，重定位n獲取，設(shè)置設(shè)備屬性獲取，設(shè)置設(shè)備屬性信息維護信息維護n獲取，設(shè)置時間或日期獲取，設(shè)置時間或日期n獲取，設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取，設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)nCPU 等級等級, 內(nèi)存大小內(nèi)存大小, 空閑內(nèi)存空閑內(nèi)存n用戶數(shù)，操作系統(tǒng)版本，當(dāng)前用戶數(shù)用戶數(shù)，操作系統(tǒng)版本，當(dāng)

8、前用戶數(shù)n獲取，設(shè)置目的屬性獲取，設(shè)置目的屬性n進程進程n文件文件n設(shè)備設(shè)備通訊通訊n兩種通訊模型：兩種通訊模型： 音訊傳送音訊傳送 or 共享內(nèi)存共享內(nèi)存系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序n系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序 提供一個方便的環(huán)境，以開發(fā)和提供一個方便的環(huán)境，以開發(fā)和執(zhí)行程序執(zhí)行程序 (cf. Fig 1.1)n硬件硬件n操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)n系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序n運用程序運用程序n絕大多數(shù)用戶所看到的操作系統(tǒng)是由系統(tǒng)絕大多數(shù)用戶所看到的操作系統(tǒng)是由系統(tǒng)程序而不是實踐系統(tǒng)調(diào)用定義的程序而不是實踐系統(tǒng)調(diào)用定義的. 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序n系統(tǒng)程序可分為系統(tǒng)程序可分為:n文件管理文件管理n形狀信息形狀信息n文件修正文件修正 (e.

9、g. text editors)n程序文語支持程序文語支持n編譯器編譯器, 匯編器匯編器, 鏈接程序，解釋程序，調(diào)試程序鏈接程序，解釋程序，調(diào)試程序n程序裝入和執(zhí)行程序裝入和執(zhí)行n絕對加載程序、重定位加載程序、鏈接編輯器絕對加載程序、重定位加載程序、鏈接編輯器n通訊通訊n郵件，閱讀器郵件，閱讀器, etc. 操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)n設(shè)計目的設(shè)計目的n機制和戰(zhàn)略機制和戰(zhàn)略n實現(xiàn)實現(xiàn)設(shè)計目的設(shè)計目的n系統(tǒng)設(shè)計遭到硬件選擇和系統(tǒng)類型的影響系統(tǒng)設(shè)計遭到硬件選擇和系統(tǒng)類型的影響n用戶目的用戶目的 容易運用、容易學(xué)習(xí)、可靠、容易運用、容易學(xué)習(xí)、可靠、平安、快速平安、快速n系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的 容

10、易設(shè)計、實現(xiàn)和維護、靈敏、容易設(shè)計、實現(xiàn)和維護、靈敏、可靠、沒有錯誤且高效可靠、沒有錯誤且高效n不同的要求能構(gòu)成對不同環(huán)境的不同處理不同的要求能構(gòu)成對不同環(huán)境的不同處理方案方案機制和戰(zhàn)略機制和戰(zhàn)略n機制決議了如何來做機制決議了如何來做n戰(zhàn)略決議做什么戰(zhàn)略決議做什么實現(xiàn)實現(xiàn)n操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式是用匯編言語編寫，操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式是用匯編言語編寫，如今大多運用高級言語如如今大多運用高級言語如C或者或者C+n運用高級言語的優(yōu)點運用高級言語的優(yōu)點:n代碼編寫更快代碼編寫更快n更為緊湊更為緊湊n更容易了解和調(diào)試更容易了解和調(diào)試n更容易從一個硬件移植到另一個硬件上更容易從一個硬件移植到另一個硬件上

11、n反對觀念以為：采用高級言語實現(xiàn)的操作系統(tǒng)降低了反對觀念以為：采用高級言語實現(xiàn)的操作系統(tǒng)降低了速度、添加了存儲要求。速度、添加了存儲要求。n然而：然而：n現(xiàn)代編譯器能對大型程序進展復(fù)雜的分析并采用高級現(xiàn)代編譯器能對大型程序進展復(fù)雜的分析并采用高級優(yōu)化技術(shù)以生成優(yōu)化代碼優(yōu)化技術(shù)以生成優(yōu)化代碼n操作系統(tǒng)的重要性能改善很能夠是由于更好的數(shù)據(jù)構(gòu)操作系統(tǒng)的重要性能改善很能夠是由于更好的數(shù)據(jù)構(gòu)造和算法，而不是由于優(yōu)秀的匯編言語代碼。造和算法，而不是由于優(yōu)秀的匯編言語代碼。n在系統(tǒng)編寫完成并能正常任務(wù)之后，可以找出瓶頸子在系統(tǒng)編寫完成并能正常任務(wù)之后，可以找出瓶頸子程序，并用相應(yīng)的匯編言語子程序替代。程序，

12、并用相應(yīng)的匯編言語子程序替代。操作系統(tǒng)構(gòu)造操作系統(tǒng)構(gòu)造n現(xiàn)代操作系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，必需求設(shè)計一個現(xiàn)代操作系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，必需求設(shè)計一個 好的構(gòu)造好的構(gòu)造 以便能正常任務(wù)并能容易修正以便能正常任務(wù)并能容易修正n通常是將這一義務(wù)分成小模塊而不只是一個單通常是將這一義務(wù)分成小模塊而不只是一個單塊系統(tǒng)塊系統(tǒng)簡單構(gòu)造簡單構(gòu)造nMS-DOS 利用最小的空間提供最多的功利用最小的空間提供最多的功能能n內(nèi)存大小從內(nèi)存大小從256到到 640KB, OS 占用占用 48 到到 128 KBn以較小、簡單且功能有限的系統(tǒng)方式啟動以較小、簡單且功能有限的系統(tǒng)方式啟動n沒有被劃分成模塊沒有被劃分成模塊MS-DOS 層次

13、構(gòu)造層次構(gòu)造UNIX 系統(tǒng)構(gòu)造系統(tǒng)構(gòu)造nUNIX 最初受硬件功能的限制最初受硬件功能的限制n由兩個獨立部分組成由兩個獨立部分組成:n系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序n內(nèi)核內(nèi)核n包括物理硬件之上和系統(tǒng)調(diào)用接口之下的一包括物理硬件之上和系統(tǒng)調(diào)用接口之下的一切部分切部分n提供文件系統(tǒng)、提供文件系統(tǒng)、CPU調(diào)度、內(nèi)存管理和其它調(diào)度、內(nèi)存管理和其它操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)功能n大多數(shù)的功能都結(jié)合放在這一層大多數(shù)的功能都結(jié)合放在這一層UNIX 系統(tǒng)構(gòu)造系統(tǒng)構(gòu)造分層方法分層方法n操作系統(tǒng)分成假設(shè)干層，每層建立在較低操作系統(tǒng)分成假設(shè)干層，每層建立在較低層之上。層之上。n最底層最底層 (層層 0) 是硬件是硬件; 最高層最高層 (

14、層層 N) 是用戶是用戶接口接口n選擇了分層后，每層只能利用較低層的功選擇了分層后，每層只能利用較低層的功能或操作和效力能或操作和效力n簡化了調(diào)試和系統(tǒng)驗證，設(shè)計與實現(xiàn)簡化了調(diào)試和系統(tǒng)驗證，設(shè)計與實現(xiàn)n不用知道如何實現(xiàn)這些操作，只需知道這不用知道如何實現(xiàn)這些操作，只需知道這些操作做什么些操作做什么n與其它方法相比，分層法效率較差與其它方法相比，分層法效率較差n每層為系統(tǒng)調(diào)用添加了額外開銷每層為系統(tǒng)調(diào)用添加了額外開銷 (參數(shù)或數(shù)參數(shù)或數(shù)據(jù)的修正與傳送據(jù)的修正與傳送)微內(nèi)核微內(nèi)核n隨著隨著UNIX操作系統(tǒng)的擴展，操作系統(tǒng)的擴展， 內(nèi)核變得更大內(nèi)核變得更大且更難管理且更難管理n將一切非根本部分從內(nèi)核

15、中移到將一切非根本部分從內(nèi)核中移到 用戶空間用戶空間n哪些效力保管在內(nèi)核內(nèi)哪些效力保管在內(nèi)核內(nèi)?n最小的進程和內(nèi)存管理最小的進程和內(nèi)存管理n通訊功能通訊功能n通訊以音訊傳送方式提供通訊以音訊傳送方式提供微內(nèi)核微內(nèi)核n優(yōu)點優(yōu)點:n便于擴展便于擴展n方便操作系統(tǒng)從一種硬件平臺設(shè)計移植到方便操作系統(tǒng)從一種硬件平臺設(shè)計移植到另一種硬件平臺設(shè)計另一種硬件平臺設(shè)計n更好的可靠性更好的可靠性 (內(nèi)核運轉(zhuǎn)更少的代碼內(nèi)核運轉(zhuǎn)更少的代碼)n更好的平安性更好的平安性n例例:nMach (mid-1980s, CMU)nTru64 UNIX (formerly Digital UNIX)nApple MacOS X

16、ServernQNX (real-time OS)nWindows NT (hybrid structure)模塊n用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)來生成模塊化的內(nèi)核n內(nèi)核有一組中心部件，以及在啟動或運轉(zhuǎn)時對附加效力的動態(tài)鏈接?？杉虞d的Solaris模塊虛擬機虛擬機n虛擬機虛擬機 : 運用程序?qū)⑺鼈兊囊磺邢聦赢?dāng)成硬運用程序?qū)⑺鼈兊囊磺邢聦赢?dāng)成硬件的一部分而看作一個層次整體件的一部分而看作一個層次整體n操作系統(tǒng)創(chuàng)建一種幻覺，以致于進程以為有操作系統(tǒng)創(chuàng)建一種幻覺，以致于進程以為有本人的處置器和本人的本人的處置器和本人的(虛擬虛擬)內(nèi)存內(nèi)存虛擬機虛擬機n物理計算機共享資源以創(chuàng)建虛擬機物理計算機共享資源以創(chuàng)建虛擬機

17、nCPU 調(diào)度能共享出調(diào)度能共享出CPU以呵斥一種每個用戶以呵斥一種每個用戶都有本人的處置器的覺得都有本人的處置器的覺得n假脫機假脫機spooling 和文件系統(tǒng)能提供虛擬和文件系統(tǒng)能提供虛擬讀卡機和虛擬行式打印機讀卡機和虛擬行式打印機n一個普通的用戶分時終端提供虛擬機操作員終一個普通的用戶分時終端提供虛擬機操作員終端的功能端的功能虛擬機優(yōu)缺陷虛擬機優(yōu)缺陷n每個虛擬機完全與其他虛擬機相隔離，由于各種每個虛擬機完全與其他虛擬機相隔離，由于各種系統(tǒng)資源完全被維護，就不存在平安問題系統(tǒng)資源完全被維護，就不存在平安問題. n沒有直接資源共享沒有直接資源共享n虛擬機系統(tǒng)是用于研討和開發(fā)操作系統(tǒng)的很好工虛

18、擬機系統(tǒng)是用于研討和開發(fā)操作系統(tǒng)的很好工具，虛擬機允許進展系統(tǒng)開發(fā)而不用中斷正常的具，虛擬機允許進展系統(tǒng)開發(fā)而不用中斷正常的系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作n虛擬機實現(xiàn)困難，由于需提供與底層機器完全一虛擬機實現(xiàn)困難，由于需提供與底層機器完全一樣的拷貝需求大量的任務(wù)樣的拷貝需求大量的任務(wù).虛擬機虛擬機nJava 虛擬機虛擬機nVMware 虛擬機虛擬機系統(tǒng)生成系統(tǒng)生成n操作系統(tǒng)通常設(shè)計成能運轉(zhuǎn)在某類計算機上，對于某個特定的計算機場所，必需求配置和生成系統(tǒng)，這一過程稱為系統(tǒng)生成system generation，SYSGEN。nSYSGEN程序采用自動或者交互方式獲得有關(guān)硬件系統(tǒng)的特定配置信息，包括：nCPU類型？安裝什么選項 (擴展指令集、浮點運算操作等)n內(nèi)存大小n設(shè)備，包括設(shè)備號碼、設(shè)備中斷號、設(shè)備類型和模型、以及任何特別的設(shè)備特點n操作系統(tǒng)選項和參數(shù)值 (緩沖區(qū)大小、CPU調(diào)度算法、支持的進程最大數(shù)量等系統(tǒng)生成系統(tǒng)生成n系統(tǒng)生成的三種方式：系統(tǒng)生成的三種方式：n修正源代碼并編譯修正源代碼并編譯n用系統(tǒng)描畫創(chuàng)建表，并從預(yù)先編譯過的庫用系