操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、1.2操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)是一種大型、復(fù)雜的并發(fā)系統(tǒng)，為了研制操作系統(tǒng)，首先必須研究它的結(jié)構(gòu)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)良好的程序。操作 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩層含義：一是研究操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，由程序的構(gòu)成成分組成操作系統(tǒng)程序的構(gòu)造過(guò)程和方法；二是研 究操作系統(tǒng)程序的局部結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)。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)。本節(jié)將在討 論操作系統(tǒng)構(gòu)件之后，全面介紹各種操作系統(tǒng)的構(gòu)造方法。1.2.1 操作系統(tǒng)的組件通常把組成操作系統(tǒng)程序的基本單位稱作操作系統(tǒng)的構(gòu)件。剖析現(xiàn)代操作系統(tǒng)，構(gòu)成操作系統(tǒng)的基本單位除內(nèi)核之外，主 要還有進(jìn)程、線程、類程和管程。1.內(nèi)核現(xiàn)代操作系統(tǒng)中大都采用

2、了進(jìn)程的概念，為了解決系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性和隨機(jī)性，并使進(jìn)程能協(xié)調(diào)地工作，單靠計(jì)算機(jī)硬件提供的功能是十分不夠的。例如，進(jìn)程調(diào)度工作目前就不能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；而進(jìn)程自己調(diào)度自己也是困難的。所以，系統(tǒng)必須有一個(gè)軟件部分能對(duì)硬件處理器及有關(guān)資源進(jìn)行首次改造，以便給進(jìn)程的執(zhí)行提供良好運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)部分就是操作系統(tǒng) 的內(nèi)核。由于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和環(huán)境不同，內(nèi)核的大小和功能有很大差別。有些設(shè)計(jì)希望把內(nèi)核做得盡量小僅具有極少的必需 功能，稱為微內(nèi)核(microkernel )，其他功能都在核外實(shí)現(xiàn)，通過(guò)微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制完成其余功能模塊間的聯(lián)系； 有些設(shè)計(jì)則希望內(nèi)核具有較多的功能，雖然其內(nèi)部也可劃分成

3、層次或模塊，但運(yùn)行時(shí)是一個(gè)大二進(jìn)制映像，模塊間的聯(lián)系可通 過(guò)函數(shù)或過(guò)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)，稱為單內(nèi)核(monolithic kernel )。操作系統(tǒng)的一個(gè)基本問(wèn)題就是內(nèi)核的功能設(shè)計(jì)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是現(xiàn) 代操作系統(tǒng)的特征之一，這種方法把內(nèi)核和核外服務(wù)程序的開發(fā)分離，可為特定應(yīng)用程序或運(yùn)行環(huán)境要求定制服務(wù)程序，具有 較好的可伸縮性，簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)，提供了靈活性，很適合分布式系統(tǒng)的構(gòu)造。一般而言，內(nèi)核必須提供以下 3個(gè)方面的功能。(1 )中斷處理。中斷處理是內(nèi)核中最基本的功能，也是操作系統(tǒng)賴以活動(dòng)的基礎(chǔ)，為了縮短屏蔽中斷的時(shí)間，增加系統(tǒng)內(nèi) 的并發(fā)性，通常它僅僅進(jìn)行有限的、簡(jiǎn)短的處理，其余任務(wù)交給在內(nèi)核之外的特殊用戶

4、態(tài)進(jìn)程完成。當(dāng)中斷事件產(chǎn)生時(shí)，先由 內(nèi)核截獲并轉(zhuǎn)向中斷處理例行程序進(jìn)行原則處理，它分析中斷事件的類型和性質(zhì)，進(jìn)行必要的狀態(tài)修改，然后交給內(nèi)核之外的 進(jìn)程去處理。例如，產(chǎn)生外圍設(shè)備結(jié)束中斷事件時(shí)，內(nèi)核首先分析是否正常結(jié)束，如果是正常結(jié)束，那么，就應(yīng)釋放等待該外 圍傳輸?shù)倪M(jìn)程；否則啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備管理進(jìn)程進(jìn)行出錯(cuò)或異常處理。又如當(dāng)操作員請(qǐng)求從控制臺(tái)輸入命令時(shí)，內(nèi)核將把這一任務(wù) 轉(zhuǎn)交給命令管理進(jìn)程去處理，以接收和執(zhí)行命令。(2 )短程調(diào)度。主要職能是分配處理器。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)事件之后，可能一個(gè)進(jìn)程要讓出處理器，而另一個(gè)進(jìn)程又要 獲得處理器。短程調(diào)度按照一定的策略管理處理器的轉(zhuǎn)讓，以及完成保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)

5、場(chǎng)的工作。由于它是協(xié)調(diào)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)處理器資 源的程序，所以它不是進(jìn)程而是內(nèi)核中的一個(gè)程序。(3 )原語(yǔ)管理。原語(yǔ)是內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)某一功能的不可中斷過(guò)程。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程完成通信、并發(fā)執(zhí)行和共享資源，各種原語(yǔ)是 必不可少的。通信原語(yǔ)為進(jìn)程相互傳遞消息，同步原語(yǔ)能協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的種種制約關(guān)系。此外，還有其他原語(yǔ)，如啟動(dòng)外 圍設(shè)備工作的啟動(dòng)原語(yǔ)，若啟動(dòng)不成功則請(qǐng)求啟動(dòng)者應(yīng)等待，顯然，這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程應(yīng)該是完整的，否則在成為等待狀態(tài)時(shí)，可 能外圍設(shè)備已經(jīng)空閑。由于設(shè)備的操作與硬件密切相關(guān)，故通常設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等功能都放在內(nèi)核中完成。內(nèi)核是操作系統(tǒng)對(duì)裸機(jī)的首次改造，內(nèi)核和裸機(jī)組成了一臺(tái)虛擬機(jī)，進(jìn)程就在這臺(tái)虛擬機(jī)上運(yùn)行，

6、它比裸機(jī)的功能更強(qiáng)大， 具有以下特性：(1 )虛擬機(jī)沒有中斷，因而，進(jìn)程的設(shè)計(jì)者不再需要有硬件中斷的概念，用戶進(jìn)程執(zhí)行中無(wú)須處理中斷；(2) 虛擬機(jī)為每個(gè)進(jìn)程提供了一臺(tái)虛擬處理器，每個(gè)進(jìn)程就好像在各自的私有處理器上順序地推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)進(jìn)程的并 發(fā)執(zhí)行；(3) 虛擬機(jī)為進(jìn)程提供了功能較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，即它們能夠使用機(jī)器非特權(quán)指令、系統(tǒng)調(diào)用和原語(yǔ)所組成的新的指令系統(tǒng)。 為了保證系統(tǒng)的有效性和靈活性，設(shè)計(jì)內(nèi)核應(yīng)遵循少而精的原則。如果內(nèi)核功能過(guò)強(qiáng)，則一方面在修改系統(tǒng)時(shí)可能牽動(dòng)內(nèi)核；另一方面它占用的內(nèi)存容量和執(zhí)行時(shí)間都會(huì)增大，且屏蔽中斷的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)影響系統(tǒng)效率。因而，設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)應(yīng)注意： 中斷處理要簡(jiǎn)單

7、；調(diào)度算法要有效；原語(yǔ)應(yīng)靈活有力、數(shù)量適當(dāng)。這樣就可以做到下次修改系統(tǒng)時(shí)，盡量少改動(dòng)內(nèi)核，執(zhí)行時(shí) 中斷屏蔽時(shí)間縮短。2 .進(jìn)程管理程序本身并不能做什么，只有在 CPU執(zhí)行它的指令時(shí)才能有所作為；因此，可以把進(jìn)程看做是正在運(yùn)行的程序。但是當(dāng)我 們進(jìn)一步研究時(shí)，對(duì)進(jìn)程的定義將更為普遍。例如：一個(gè)分時(shí)用戶程序（如編譯器）是一個(gè)進(jìn)程，個(gè)人用戶在PC上運(yùn)行的字處理程序是一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)（如輸出到打印機(jī)）也是一個(gè)進(jìn)程，并可以提供允許進(jìn)程創(chuàng)建與其并發(fā)執(zhí)行的子進(jìn)程的系 統(tǒng)調(diào)用。進(jìn)程需要特定的資源（包括 CPU時(shí)間、內(nèi)存、文件和I/O設(shè)備）來(lái)完成工作。這些資源或者在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)分配給它，或者 在其運(yùn)行時(shí)分配

8、。除了在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)所獲得的各種物理資源和邏輯資源以外，各種各樣的初始化數(shù)據(jù)（或輸入）也可能一同傳 送給進(jìn)程。例如，考慮一個(gè)能夠在終端的顯示屏上顯示一個(gè)文件狀態(tài)的進(jìn)程。這個(gè)進(jìn)程將獲得包含輸入的文件名，將執(zhí)行相應(yīng) 的指令和系統(tǒng)調(diào)用來(lái)獲取所期望的信息并顯示在終端上。著重強(qiáng)調(diào)程序本身不是進(jìn)程；程序是靜態(tài)實(shí)體（passive entity ）（好像是存儲(chǔ)在磁盤中的文件的內(nèi)容），而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)實(shí)體（active entity ），它用一個(gè)程序計(jì)數(shù)器來(lái)指明要執(zhí)行的下一條指令。進(jìn)程必須要按順序執(zhí)行，CPU執(zhí)行完進(jìn)程的一條指令后再執(zhí)行下一條，直到進(jìn)程結(jié)束。進(jìn)一步地講，一次最多執(zhí)行一條代表該進(jìn)程的指令。這樣，從來(lái)就

9、不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行 的序列。但一個(gè)程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程是非常普遍的。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)，由于進(jìn)程能確切、動(dòng)態(tài)地刻畫計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的并 發(fā)性，更好地解決系統(tǒng)資源的共享性，所以，在操作系統(tǒng)的發(fā)展史上，進(jìn)程概念被較早地引入了系統(tǒng)。它在操作系統(tǒng)的理論研 究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上均發(fā)揮了重要作用。采用進(jìn)程概念使得操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得清晰，主要表現(xiàn)如下。（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(wú)章，隨意進(jìn)行。（2）進(jìn)程之間的交互如信號(hào)發(fā)送、消息傳遞和同步互斥等活動(dòng)由通信及同步機(jī)制完成，從而使進(jìn)程無(wú)法有意或無(wú)意破壞其 他進(jìn)程的數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)進(jìn)程

10、相對(duì)獨(dú)立，相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。（3 ）進(jìn)程結(jié)構(gòu)較好地刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動(dòng)態(tài)地描述出系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程，因而具有進(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。3 .主存儲(chǔ)器管理主存儲(chǔ)器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。主存儲(chǔ)器是由字或字節(jié)組成的大型隊(duì)列，每個(gè)字或字節(jié)都有它自己的地址。主存 儲(chǔ)器是CPU和I/O設(shè)備共享的大容量快速存儲(chǔ)器。中央處理器在取指令周期中從主存儲(chǔ)器中讀取指令，而且在取數(shù)據(jù)周期中 從主存儲(chǔ)器中讀/寫數(shù)據(jù)。通過(guò)DMA （動(dòng)態(tài)內(nèi)存存?。?，I/O操作也實(shí)現(xiàn)了對(duì)主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀/寫。通常主存儲(chǔ)器是 CPU唯 一能夠直接尋址和訪問(wèn)的大容量存儲(chǔ)空間。例如，CPU要處理磁

11、盤中的數(shù)據(jù)，那么 CPU首先發(fā)出I/O調(diào)用將這些數(shù)據(jù)傳送到主存儲(chǔ)器中。同樣，指令必須在存儲(chǔ)器中才能夠由CPU執(zhí)行。必須要把程序映射到絕對(duì)地址并載入內(nèi)存中才可以執(zhí)行。在程序運(yùn)行時(shí)，它通過(guò)產(chǎn)生絕對(duì)地址來(lái)從內(nèi)存中訪問(wèn)程序指令和 數(shù)據(jù)。最后，程序結(jié)束，釋放所占的內(nèi)存空間，方便下一個(gè)程序載入。為了提高CPU利用率和計(jì)算機(jī)響應(yīng)速度，必須在內(nèi)存中保留多個(gè)程序。有許多不同的內(nèi)存管理策略，而且不同算法的效率 取決于具體的環(huán)境。為具體的系統(tǒng)選擇內(nèi)存管理策略要考慮許多因素一一尤其是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。每種算法都需要自己的硬件支持。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與內(nèi)存管理相關(guān)的工作：跟蹤內(nèi)存使用情況，明確哪一部分正在使用和為誰(shuí)所用；

12、在內(nèi)存空間有效時(shí)決定將哪個(gè)進(jìn)程載入內(nèi)存；根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。4 .文件管理文件管理是操作系統(tǒng)中可視性最強(qiáng)的組件之一。計(jì)算機(jī)能夠?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在各種類型的物理介質(zhì)上。磁帶、磁盤和光盤是最 常用的介質(zhì)。每種介質(zhì)都有自己的特性和物理結(jié)構(gòu)。每個(gè)存儲(chǔ)媒體由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制（如磁盤驅(qū)動(dòng)器或磁帶驅(qū)動(dòng)器），這種驅(qū) 動(dòng)器也有自己的獨(dú)有特性。這些特性包括訪問(wèn)速度、容量、數(shù)據(jù)傳輸率和存取方式（順序的或隨機(jī)的）。為了便于使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)提供了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體邏輯層面。操作系統(tǒng)把存儲(chǔ)設(shè)備的物理屬性抽象定義為 一個(gè)邏輯存儲(chǔ)單元一一文件。文件被映像到物理媒介中，通過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)訪問(wèn)這些文件。文件是由其創(chuàng)建者定義

13、的相關(guān)信息的集合。一般的文件表現(xiàn)為程序（源程序和目標(biāo)代碼）和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件可能是數(shù)字的、 字母的或二者混合的。文件可能是形式自由的（如文本文件），也可能有嚴(yán)格定義的格式（如固定字段）。由字、字節(jié)、行或 記錄組成的文件結(jié)構(gòu)是其創(chuàng)建者定義的。文件概念具有相當(dāng)廣泛的含義。操作系統(tǒng)通過(guò)管理大容量存儲(chǔ)體（如由驅(qū)動(dòng)器控制的磁盤和磁帶）實(shí)現(xiàn)了文件的抽象概念。另外，為了更簡(jiǎn)易地使用文件， 通常將他們組織到目錄中。最后，如果有多個(gè)用戶訪問(wèn)文件，可能需要控制誰(shuí)以什么樣的方式訪問(wèn)（例如：讀、寫、追加）。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與文件管理相關(guān)的工作：創(chuàng)建和刪除文件；創(chuàng)建和刪除目錄；將文件映像到輔助存儲(chǔ)器中；將文件備份到永久

14、（非易失性）存儲(chǔ)體中。5 .1/0系統(tǒng)管理操作系統(tǒng)的目的之一就是要向用戶隱藏具體的硬件特性。例如，在UNIX中，通過(guò)I/O子系統(tǒng)向操作系統(tǒng)隱藏了 I/O設(shè)備的特性。I/O子系統(tǒng)由以下幾個(gè)方面組成：一個(gè)內(nèi)存管理模塊，這包括 Buffering、Caching 和SPOOLing ；一個(gè)通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口；針對(duì)具體硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。6 .輔助存儲(chǔ)器管理操作系統(tǒng)的主要目的是執(zhí)行程序。這些程序在運(yùn)行時(shí)（以及它們要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)）都必須在主存儲(chǔ)器中。因?yàn)橹鞔鎯?chǔ)器的容 量太小不能存儲(chǔ)所有的程序和數(shù)據(jù)，而且掉電后會(huì)丟失所有的存儲(chǔ)信息，所以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須要提供輔助存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器 的后備。大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系

15、統(tǒng)使用磁盤作為存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的主要聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)體。大多數(shù)程序（包括編譯程序、匯編程序、排 列程序、編輯程序和格式化程序）在載入內(nèi)存之前存儲(chǔ)在磁盤上，并且在運(yùn)行時(shí)利用磁盤存儲(chǔ)它們所處理的源文件和目標(biāo)文件。 因此，合理的磁盤管理對(duì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與輔助存儲(chǔ)器管理相關(guān)的工作：空閑空間管理；空間分配；磁盤調(diào)度。因?yàn)轭l繁地使用輔助存儲(chǔ)器，所以必須要能夠高效運(yùn)行。而且計(jì)算機(jī)的整體運(yùn)行速度取決于磁盤子系統(tǒng)的速度和該子系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)算法的效率。7. 網(wǎng)絡(luò)管理分布式系統(tǒng)是一個(gè)處理機(jī)的集合，這些處理機(jī)既不共享內(nèi)存和外圍設(shè)備，也不共享時(shí)鐘。而是每個(gè)處理機(jī)擁有自己的本地 內(nèi)存和時(shí)鐘，并且這些

16、處理機(jī)可以通過(guò)各種通信線路（如高速總線或網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行通信。一個(gè)分布式系統(tǒng)中的處理機(jī)在規(guī)模和功 能上有所不同，其中可能包括小型微處理器、工作站、小型機(jī)和大型通用計(jì)算機(jī)。在（分布式）系統(tǒng)中，處理機(jī)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相連接，有多種不同的方法可以配置該網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)可以完全或部分地連接。 通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須要考慮報(bào)文路由選擇和連接策略，以及爭(zhēng)用和安全的問(wèn)題。分布式系統(tǒng)將物理上相互獨(dú)立的可能不同種類的系統(tǒng)集合成為一個(gè)獨(dú)立相連的系統(tǒng)，它具有向用戶提供訪問(wèn)由系統(tǒng)維護(hù)的 各種資源的能力。對(duì)共享資源的訪問(wèn)加快了計(jì)算速度、增強(qiáng)了系統(tǒng)功能、提高了數(shù)據(jù)的可用性并加強(qiáng)了可靠性。操作系統(tǒng)把網(wǎng) 絡(luò)細(xì)節(jié)包含在了網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中

17、，于是將網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)泛化為一種文件訪問(wèn)的形式。因此，分布式系統(tǒng)所使用的協(xié)議在很 大程度上影響到系統(tǒng)的效率和普及。8. 系統(tǒng)保護(hù)如果一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有多個(gè)用戶并允許并行執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程，那么必須要保護(hù)各個(gè)進(jìn)程免受其他進(jìn)程的侵?jǐn)_。為此，需要提供一種機(jī)制來(lái)保證只有那些從操作系統(tǒng)獲取了合適權(quán)限的進(jìn)程能夠操作文件、存儲(chǔ)段、CPU和其他資源。例如，內(nèi)存尋址硬件確保了一個(gè)進(jìn)程只能在自己的地址空間內(nèi)執(zhí)行，計(jì)時(shí)器確保進(jìn)程最終能夠放棄對(duì)CPU的控制，用戶不能夠訪問(wèn)設(shè)備控制寄存器；這樣，就保護(hù)了各種外圍設(shè)備的完整性。保護(hù)是操作系統(tǒng)定義的控制程序，是進(jìn)程或用戶訪問(wèn)的機(jī)制。這個(gè)機(jī)制必須要提供一種方法來(lái)描述要施加的控制，以及強(qiáng) 制

18、執(zhí)行的方法。通過(guò)檢測(cè)子系統(tǒng)接口中潛伏的錯(cuò)誤，保護(hù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。對(duì)接口錯(cuò)誤的早期檢測(cè)常常能夠阻止一個(gè)子系統(tǒng)故障波 及到其他正常的子系統(tǒng)。一個(gè)未受保護(hù)的資源難以防止未授權(quán)或不適當(dāng)?shù)挠脩舻氖褂茫ɑ蛘`用）。一個(gè)面向保護(hù)的系統(tǒng)提供了 一種區(qū)分授權(quán)的和未授權(quán)的使用方法。9 .操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)提供了程序運(yùn)行的環(huán)境。它為程序和程序用戶提供了特定的服務(wù)。當(dāng)然，不同的操作系統(tǒng)提供的具體服務(wù)不同，但是我們能夠找出其共同部分。提供的這些操作系統(tǒng)服務(wù)是為了便于程序員設(shè)計(jì)程序。具體如下。程序執(zhí)行：系統(tǒng)必須能夠?qū)⒊绦蜉d入內(nèi)存并運(yùn)行它。程序必須能夠正常地或異常地（指示錯(cuò)誤）結(jié)束運(yùn)行。I/O 操作：一個(gè)正在運(yùn)行的程

19、序可能要請(qǐng)求 I/O操作。這可能會(huì)涉及文件或I/O設(shè)備。針對(duì)具體的設(shè)備，需要特定的功 能（如倒卷一個(gè)磁帶驅(qū)動(dòng)器或清空一個(gè)CRT屏幕顯示）。出于系統(tǒng)效率和保護(hù)的原因，用戶通常不能夠直接控制I/O設(shè)備。因此，操作系統(tǒng)必須要提供一種 I/O 運(yùn)行機(jī)制。文件系統(tǒng)處理：文件系統(tǒng)相當(dāng)有意思。顯然，程序需要能夠讀寫文件，也要能夠創(chuàng)建和刪除文件。通信：在很多情況下，一個(gè)進(jìn)程需要與另外一個(gè)進(jìn)程交換信息。通信有兩種主要的方式。第一種方式是在運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的進(jìn)程間通信；另外一種方式是運(yùn)行在由一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的進(jìn)程間通信?？梢酝ㄟ^(guò)共享存儲(chǔ) 器或報(bào)文傳送（這種方式中，操作系統(tǒng)在進(jìn)程之間將信息

20、打包移動(dòng)）的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。錯(cuò)誤檢測(cè)：操作系統(tǒng)需要經(jīng)常注意可能發(fā)生的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤可能發(fā)生在CPU、內(nèi)存（如存儲(chǔ)錯(cuò)誤或電源故障）、I/O設(shè)備（如 磁帶奇偶檢驗(yàn)錯(cuò)誤、連結(jié)網(wǎng)絡(luò)失敗或打印機(jī)缺紙）及用戶程序（如運(yùn)算溢出、試圖訪問(wèn)非法存儲(chǔ)器地址或過(guò)多占用CPU時(shí)間）中。對(duì)于每種類型的錯(cuò)誤，操作系統(tǒng)應(yīng)該能夠采取針對(duì)性措施以確保計(jì)算的正確性和相容性。另外，操作系統(tǒng)還存在另外一些功能，它們不是為了幫助用戶工作，而是為了確保系統(tǒng)本身的高效運(yùn)行。如：資源分配：當(dāng)多個(gè)用戶登錄到系統(tǒng)中或同時(shí)有多個(gè)作業(yè)運(yùn)行時(shí)，必須要在它們之間分配資源。操作系統(tǒng)管理許多不同類型的資源。有些資源（如 CPU周期、主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器）可

21、能有專用的分配代碼，而其他的（如 I/O設(shè)備）可能有更通用的 請(qǐng)求和釋放代碼。例如，在決定如何最好地使用 CPU的問(wèn)題上，操作系統(tǒng)的 CPU調(diào)度程序要考慮CPU速度、必須要執(zhí)行的 作業(yè)、有效的寄存器數(shù)量和其他的一些因素；賬戶管理：我們希望跟蹤記錄每個(gè)用戶使用哪些類型的計(jì)算機(jī)資源和用了多少。這個(gè)記錄保持可能用于記賬（以便用戶付 賬）或簡(jiǎn)單地用于累加使用率統(tǒng)計(jì)。對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)，使用率統(tǒng)計(jì)可能是個(gè)有效的工具。利用使用率統(tǒng)計(jì)，研究者可以重新配 制系統(tǒng)以改善計(jì)算服務(wù)；保護(hù)：存儲(chǔ)在多用戶計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的信息的所有者希望能夠控制對(duì)該信息的使用。當(dāng)多個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，一個(gè)進(jìn)程不應(yīng)該能夠干擾其他進(jìn)程或操作

22、系統(tǒng)本身。保護(hù)包括了監(jiān)控所有對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)。對(duì)來(lái)自外界的系統(tǒng)安全檢測(cè)（security） 也是非常重要的。這種保護(hù)往往通過(guò)密碼的方式，用戶向系統(tǒng)驗(yàn)證口令才能訪問(wèn)資源。它也包括了保護(hù)外部I/O設(shè)備（包括調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)適配器）免于非法的訪問(wèn)企圖和記錄所有這樣的非法闖入。如果一個(gè)系統(tǒng)受到保護(hù)并且是安全的，那么就必須 要建立預(yù)防措施。一般，系統(tǒng)的安全強(qiáng)度與其最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。1.2.2操作系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)模型操作系統(tǒng)本身是一組程序，像其他程序一樣也在處理器上執(zhí)行，那么，操作系統(tǒng)程序是否組織成進(jìn)程？它是如何控制和怎樣執(zhí)行的呢？下面來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。從操作系統(tǒng)的執(zhí)行方式來(lái)看，可以把它分成：非進(jìn)程內(nèi)

23、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)）作為獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行的模型3種。1 .非進(jìn)程內(nèi)核模型許多老式操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用非進(jìn)程內(nèi)核模型，即操作系統(tǒng)的功能都不組織成進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1-2所示，該模型包括一個(gè)較大的操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，進(jìn)程的執(zhí)行在內(nèi)核之外。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的上下文現(xiàn)場(chǎng)信息將被保存，并把控制權(quán) 傳遞給操作系統(tǒng)內(nèi)核。操作系統(tǒng)具有自己的內(nèi)存區(qū)和系統(tǒng)堆棧區(qū)，用于控制過(guò)程調(diào)用和返回。它將在核心態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作， 并根據(jù)中斷的類型和具體的情況，或者是恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)并讓它繼續(xù)執(zhí)行，或是轉(zhuǎn)向進(jìn)程調(diào)度指派另一個(gè)就緒進(jìn)程運(yùn)行。在這種情況下，進(jìn)程的概念僅僅是針對(duì)用戶程序而

24、言的，操作系統(tǒng)代碼作為一個(gè)獨(dú)立實(shí)體在內(nèi)核模式下運(yùn)行。小型機(jī)和工作站操作系統(tǒng)（如 UNIX等）往往采用OS的所有功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型，如圖1-3所示，在這種實(shí)現(xiàn) 模型中，大部分操作系統(tǒng)功能組織成一組例行程序供用戶程序調(diào)用，認(rèn)為操作系統(tǒng)例程與用戶進(jìn)程是上下文相關(guān)的，操作系統(tǒng)的地址空間被包含在用戶進(jìn)程的地址空間中；因而，操作系統(tǒng)例行程序也在用戶進(jìn)程的上下文環(huán)境中執(zhí)行。圖1-4給出了 OS的所有功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型中的進(jìn)程映像，它既包含進(jìn)程控制塊、用戶堆棧、容納用戶程序和數(shù)據(jù)的地址空間等，還 包括操作系統(tǒng)內(nèi)核的程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)堆棧區(qū)。當(dāng)發(fā)生一次中斷或系統(tǒng)調(diào)用后，處理器狀態(tài)將被置成內(nèi)核模式，控制從用戶進(jìn)程手中被剝奪并傳遞給操作系統(tǒng)例行程序。此時(shí)，發(fā)生了模式切換，模式上下文（現(xiàn)場(chǎng)）信息被保存，但是進(jìn)程上下文切換并沒有發(fā)生，操作系統(tǒng)仍在該用戶進(jìn)程中執(zhí)行， 提供單獨(dú)的內(nèi)核堆棧用于管理進(jìn)程在核心態(tài)下執(zhí)行時(shí)的調(diào)用和返回，操作系統(tǒng)例行程序和數(shù)據(jù)放在共享地址空間，且被所有用 戶進(jìn)程共享。J P.1蠢