chapter3基本結(jié)構(gòu).ppt

1、操作系統(tǒng)概念,第三章：操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2,本章主要內(nèi)容,本章將從用戶角度、程序員角度和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員角度來(lái)分別研究操作系統(tǒng)的三個(gè)方面。 系統(tǒng)組成 操作系統(tǒng)服務(wù) 系統(tǒng)調(diào)用 系統(tǒng)程序 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 虛擬機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)生成,3,3.1 系統(tǒng)組成,進(jìn)程管理 內(nèi)存管理 文件管理 輸入/輸出系統(tǒng)管理 二級(jí)存儲(chǔ)管理 聯(lián)網(wǎng) 保護(hù)系統(tǒng) 命令解釋系統(tǒng),4,3.1.1 進(jìn)程管理,進(jìn)程指的是運(yùn)行著的程序 進(jìn)程需要一定的資源來(lái)完成任務(wù)，包括CPU時(shí)間，內(nèi)存，文件和I/O設(shè)備 OS負(fù)責(zé)以下與進(jìn)程管理有關(guān)的活動(dòng) 創(chuàng)建和刪除用戶進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程 懸掛（暫停）和繼續(xù)進(jìn)程 提供進(jìn)程同步機(jī)制 提供進(jìn)程通信機(jī)制 提供死鎖處理機(jī)制

2、,5,3.1.2 內(nèi)存管理,內(nèi)存是一字節(jié)或字的一個(gè)大的陣列，每個(gè)字或字節(jié)都有自己的地址。 內(nèi)存是可以被CPU和I/O設(shè)備所共同快速訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù) 內(nèi)存是易失性的存儲(chǔ)設(shè)備。在系統(tǒng)失敗的情況下，內(nèi)存將會(huì)丟失其內(nèi)容。 OS負(fù)責(zé)以下與內(nèi)存管理相關(guān)的活動(dòng) 記錄內(nèi)存的哪部分正在被使用及被誰(shuí)使用 當(dāng)內(nèi)存空間可用時(shí)，決定哪些進(jìn)程可以裝入內(nèi)存 根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間,6,3.1.3 文件管理,文件是由其創(chuàng)建者定義的一組相關(guān)信息的集合。 通常，文件表示程序（源程序和目標(biāo)程序）和數(shù)據(jù) OS負(fù)責(zé)以下有關(guān)文件管理的活動(dòng)： 創(chuàng)建和刪除文件 創(chuàng)建和刪除目錄 提供操作文件和目錄的原語(yǔ) 將文件映射到二級(jí)存儲(chǔ)器（輔存）上

3、在穩(wěn)定（非易失的）存儲(chǔ)媒介上備份文件,7,3.1.4 I/O系統(tǒng)管理,操作系統(tǒng)的目標(biāo)之一是為用戶隱藏特定硬件設(shè)備的特質(zhì)。只有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序才知道被指定的設(shè)備的特質(zhì)。 I/O系統(tǒng)由如下部分組成： 包括緩沖器、高速緩存和脫機(jī)打印的內(nèi)存管理部分 一個(gè)通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口 用于特定硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,8,3.1.5 二級(jí)存儲(chǔ)管理,由于內(nèi)存太小而不能容納所有數(shù)據(jù)和程序，再加上掉電后它會(huì)失去所擁有的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須提供二級(jí)存儲(chǔ)器，以備份內(nèi)存。 許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用磁盤作為主要在線存儲(chǔ)媒介來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 OS負(fù)責(zé)下列有關(guān)硬盤管理的活動(dòng) 空閑空間管理 存儲(chǔ)空間分配 硬盤調(diào)度,9,3.1.6 聯(lián)網(wǎng)（分

4、布式系統(tǒng)）,分布式系統(tǒng)是一組不共享內(nèi)存、外設(shè)和時(shí)鐘的處理器的集合。 這些處理器都有各自的內(nèi)存和時(shí)鐘 系統(tǒng)中的處理器通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相連 通信雙方需采用相同的協(xié)議 分布式系統(tǒng)使得用戶能夠訪問(wèn)多個(gè)系統(tǒng)資源 對(duì)共享資源的訪問(wèn)可以使計(jì)算加速、功能加強(qiáng)、提供數(shù)據(jù)可用性以及增強(qiáng)可靠性,10,3.1.7 保護(hù)系統(tǒng),保護(hù)是控制程序、進(jìn)程或用戶訪問(wèn)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定義的資源的機(jī)制。 這種保護(hù)機(jī)制必須能夠： 區(qū)分已授權(quán)的和未授權(quán)的使用 提供一定的方法以規(guī)定所有要進(jìn)行的控制 提供加強(qiáng)控制的方法,11,3.1.8 命令解釋系統(tǒng),許多命令通過(guò)控制語(yǔ)句交給操作系統(tǒng) 進(jìn)程創(chuàng)建和管理 I/O處理 二級(jí)存儲(chǔ)管理 內(nèi)存管理 文件系統(tǒng)訪問(wèn)

5、 保護(hù) 聯(lián)網(wǎng) 用來(lái)接收與解釋控制語(yǔ)句的程序有不同的名稱 命令行解釋器 外殼(Shell, in UNIX),12,3.2 操作系統(tǒng)服務(wù),程序執(zhí)行 I/O操作 文件系統(tǒng)操作 通信 錯(cuò)誤檢測(cè) 資源分配 統(tǒng)計(jì) 保護(hù),13,3.3 系統(tǒng)調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用提供了進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的接口 這些調(diào)用通常以匯編語(yǔ)言指令的形式提供 有些語(yǔ)言（如C, C+和Perl）已經(jīng)取代了匯編語(yǔ)言而直接用于系統(tǒng)編程 向操作系統(tǒng)傳遞參數(shù)通常用三種方法 通過(guò)寄存器來(lái)傳遞參數(shù) 參數(shù)數(shù)量可能會(huì)比寄存器多 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)傳遞給寄存器 指針 將參數(shù)放在堆棧中，并通過(guò)操作系統(tǒng)彈出堆棧 不限制所傳遞參數(shù)的數(shù)量或

6、長(zhǎng)度,14,參數(shù)作為表傳遞,15,系統(tǒng)調(diào)用的類型,進(jìn)程控制：結(jié)束，中止，裝入，執(zhí)行，創(chuàng)建、終止進(jìn)程等 文件管理：創(chuàng)建文件，刪除文件，打開(kāi)，關(guān)閉文件等 設(shè)備管理：請(qǐng)求設(shè)備，釋放設(shè)備，讀、寫(xiě)、重定位設(shè)備等 信息維護(hù)：讀取時(shí)間或日期、設(shè)置時(shí)間或日期等 通信：創(chuàng)建、刪除通信連接，發(fā)送、接收消息，傳遞狀態(tài)信息等,16,3.4 系統(tǒng)程序,系統(tǒng)程序提供了一個(gè)方便的環(huán)境，以開(kāi)發(fā)程序和執(zhí)行程序。它們可分為以下幾類： 文件管理 狀態(tài)信息 文件修改 程序語(yǔ)言支持 程序裝入和執(zhí)行 通信 應(yīng)用程序 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(shí)際系統(tǒng)調(diào)用定義的。,17,3.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) DOS UNIX 分

7、層方法 微內(nèi)核,18,MS-DOS系統(tǒng)結(jié)構(gòu),MS-DOS 利用最小的空間提供最多的功能 沒(méi)有被劃分成模塊 盡管MS-DOS擁有一些結(jié)構(gòu)，但它的接口和功能層次并沒(méi)有很好的分離開(kāi)來(lái)。,19,UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu),UNIX 最初受到硬件功能的限制，它由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成 內(nèi)核 包括系統(tǒng)調(diào)用接口之下和物理 硬件之上的所有部分 內(nèi)核通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用提供文件系統(tǒng)、CPU調(diào)度、內(nèi)存管理和其他操作系統(tǒng)功能。 系統(tǒng)程序,20,分層方法,操作系統(tǒng)分成若干層，每層建立在較低層之上。最底層（層0）是硬件，最高層（層N）是用戶接口 分層法的主要優(yōu)點(diǎn)是模塊化。選擇了分層，這樣每層只能利用較低層的功能（或操作）和服務(wù)。 分層法的主

8、要困難涉及到對(duì)層的仔細(xì)認(rèn)真的定義 分層法與其他方法相比其效率稍差。,21,微內(nèi)核系統(tǒng)結(jié)構(gòu),這種方法將所有非基本部分從內(nèi)核中移走，并將它們當(dāng)做系統(tǒng)級(jí)程序和用戶級(jí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用這種方法來(lái)構(gòu)建操作系統(tǒng) 用戶模塊之間采用消息傳遞的方式進(jìn)行通信 優(yōu)點(diǎn) 微內(nèi)核易于擴(kuò)展 易于提升OS至一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu) 更可靠（內(nèi)核模式中運(yùn)行的代碼更少） 更安全 缺點(diǎn) 用戶空間與內(nèi)核空間的通信代價(jià)較高,22,3.6 虛擬機(jī),虛擬機(jī)采用了分層的方法。它將物理硬件和OS內(nèi)核統(tǒng)一看作為硬件 虛擬機(jī)提供了與基本硬件相同的接口 通過(guò)利用CPU調(diào)度和虛擬內(nèi)存技術(shù)，操作系統(tǒng)能創(chuàng)建一種幻覺(jué)，以至于進(jìn)程認(rèn)為有自己的處理器和自己的（虛擬）內(nèi)存。

9、,23,物理計(jì)算機(jī)共享資源以創(chuàng)建虛擬機(jī) CPU調(diào)度能共享出CPU造成一種每個(gè)用戶都有自己的處理器的感覺(jué) 假脫機(jī)和文件系統(tǒng)能提供虛擬讀卡機(jī)和虛擬行式打印機(jī) 一個(gè)普通的用戶分時(shí)終端提供虛擬機(jī)操作員終端的功能,24,3.7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)目標(biāo) 機(jī)制與策略 實(shí)現(xiàn),25,系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),用戶目標(biāo) OS應(yīng)該便于使用，易于學(xué)習(xí)，可靠，安全與快速 系統(tǒng)目標(biāo) OS應(yīng)該易設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，同時(shí)應(yīng)該靈活，可靠，沒(méi)有錯(cuò)誤且高效。,26,機(jī)制與策略,機(jī)制決定事情如何來(lái)做，而策略決定做什么內(nèi)容。 策略和機(jī)制的區(qū)分對(duì)于靈活性來(lái)說(shuō)很重要，每次策略的改變都可能需要底層機(jī)制的改變。,27,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),傳統(tǒng)地，操作系統(tǒng)是用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的，不過(guò)，操作系統(tǒng)現(xiàn)在都是用高級(jí)語(yǔ)言如C或C+來(lái)編寫(xiě)的。 MULTICS用PL/1編寫(xiě)（MIT） Primos用Fortran來(lái)編寫(xiě) UNIX、OS/2、WindowsNT主要用C來(lái)編寫(xiě) 高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)代碼 編寫(xiě)更快速 更緊湊 更易理解與調(diào)試 用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的操作系統(tǒng)更易快速移植到那它硬件平臺(tái)上。,28,3.8 系統(tǒng)生成,OS被