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文檔簡介
1、Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù),參考教材,尤晉元等,Windows操作系統(tǒng)原理,機(jī)械工業(yè)出版社,2001 David A. Solomon, Windows NT 技術(shù)內(nèi)幕,清華大學(xué)出版社,1999年7月,本課程內(nèi)容,含蓋操作系統(tǒng)原理課程的全部理論內(nèi)容以及Windows 2000/XP操作系統(tǒng)構(gòu)成的各個(gè)方面 10講的內(nèi)容依次是: 第1講 操作系統(tǒng)概述 第2講 Windows 2000XP 的體系結(jié)構(gòu) 第3講 進(jìn)程管理 第4講 存儲(chǔ)管理 第5講 文件系統(tǒng),第6講 I/O系統(tǒng) 第7講 網(wǎng)絡(luò) 第8講 windows安全 第9講 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 第10講 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),操作系統(tǒng)概述,發(fā)展與分類 計(jì)算機(jī)系
2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 定義 按人的要求接收、存儲(chǔ)信息,自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,并輸出結(jié)果的機(jī)器系統(tǒng)。 特點(diǎn) 計(jì)算、判斷、存儲(chǔ)、精確、快速、通用、易用、聯(lián)網(wǎng) 組成 硬件、軟件,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概觀,計(jì)算機(jī)組織 指運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、I/O部件間的相互連接 作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯和物理實(shí)現(xiàn),任務(wù)是提高性價(jià)比,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在指令級(jí)的功能和特性; 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從程序設(shè)計(jì)人員角度看到的計(jì)算機(jī)屬性,處于機(jī)器語言級(jí); 存儲(chǔ)程序原理 是了解計(jì)算機(jī)組織的關(guān)鍵 基于此構(gòu)造的計(jì)算機(jī)稱為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)(馮.諾伊曼機(jī)) 基本點(diǎn):指令驅(qū)動(dòng), 即程序由指令組成,并和數(shù)據(jù)一起存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中,地位:緊貼硬件之上,其它軟件之下,
3、是其他軟件的共同環(huán)境 定義:系統(tǒng)軟件,程序模塊的集合,資源管理和用戶接口功能,操作系統(tǒng)概念,操作系統(tǒng)特征,并發(fā)性 多程序同時(shí)推進(jìn) 單CPU環(huán)境 用戶程序之間、用戶程序與操作系統(tǒng)之間 多CPU環(huán)境 宏觀、微觀并發(fā) 分布式環(huán)境 多計(jì)算機(jī)并存 共享性 系統(tǒng)的各種資源共享 隨機(jī)性 運(yùn)行狀態(tài)不確定 要求操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)要充分考慮各種可能,操作系統(tǒng)作用,OS是計(jì)算機(jī)硬件、軟件資源的管理者 管理對(duì)象包括:CPU、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備、信息(數(shù)據(jù)和軟件); 管理的內(nèi)容:資源的當(dāng)前狀態(tài)(數(shù)量和使用情況)、資源的分配、回收和訪問操作,相應(yīng)管理策略(包括用戶權(quán)限)。,OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口 系統(tǒng)命令(命令
4、行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI); 系統(tǒng)調(diào)用(形式上類似于過程調(diào)用,在應(yīng)用編程中使用)。,OS是擴(kuò)展機(jī)(extended machine)/虛擬機(jī)(virtual machine)。 在裸機(jī)上添加:設(shè)備管理、文件管理、存儲(chǔ)管理(針對(duì)內(nèi)存和外存)、處理機(jī)管理(針對(duì)CPU); 合理組織工作流程:作業(yè)管理、進(jìn)程管理。,幾項(xiàng)重要功能 進(jìn)程管理 主要是對(duì)處理器進(jìn)行管理 解決處理器實(shí)施分配調(diào)度策略; 協(xié)調(diào)多道程序間的關(guān)系 存儲(chǔ)管理 管理內(nèi)存資源 內(nèi)外存結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器,解決內(nèi)存不夠問題 文件管理 信息資源以文件方式存放在外存 方便、安全的訪問 作業(yè)管理 為用戶提供使用機(jī)器的手段 設(shè)備管理 管
5、理所有I/O設(shè)備及其支持設(shè)備,引入操作系統(tǒng)的目標(biāo),有效性(系統(tǒng)管理人員的觀點(diǎn)) 管理和分配硬件、軟件資源,合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程 方便性(用戶的觀點(diǎn)) 提供良好的、一致的用戶接口,彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別 可擴(kuò)充性(開放的觀點(diǎn)) 硬件的類型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個(gè)系統(tǒng)之間的資源共享和互操作,操作系統(tǒng)歷史,主要討論操作系統(tǒng)的外部特征 發(fā)展動(dòng)力 提高資源的利用率和系統(tǒng)性能:計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)昂貴,用作集中計(jì)算 方便用戶:用戶上機(jī)、調(diào)試程序,分散計(jì)算時(shí)的事務(wù)處理和非專業(yè)用戶(商業(yè)和辦公、家庭) 器件的發(fā)展:CPU的位寬度(指令和數(shù)據(jù))、快速外存,手工操作 集中計(jì)算
6、(計(jì)算中心),計(jì)算機(jī)資源昂貴; 用戶既是程序員,又是操作員;用戶是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員; 編程語言:為機(jī)器語言; 輸入輸出:紙帶或卡片; 工作特點(diǎn) 用戶獨(dú)占全機(jī):不出現(xiàn)資源被其他用戶占用,資源利用率低; CPU等待用戶:計(jì)算前,手工裝入紙帶或卡片;計(jì)算完成后,手工卸取紙帶或卡片;CPU利用率低; 提高效率的途徑 專門的操作員,批處理,批處理系統(tǒng) 利用磁帶把若干個(gè)作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列,每個(gè)批作業(yè)由一個(gè)專門的監(jiān)督程序(Monitor)自動(dòng)依次處理。可使用匯編語言開發(fā)。 批處理中的作業(yè)的組成:用戶程序、數(shù)據(jù)、作業(yè)說明書(作業(yè)控制語言) 監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executive system),常駐內(nèi)
7、存 主要問題 CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均(取決于當(dāng)前作業(yè)的特性)。 對(duì)計(jì)算為主的作業(yè),外設(shè)空閑; 對(duì)I/O為主的作業(yè),CPU空閑;,多道批處理系統(tǒng) 利用多道批處理提高資源的利用率。 多道批處理的運(yùn)行特征 多道:內(nèi)存中同時(shí)存放幾個(gè)作業(yè); 宏觀上并行運(yùn)行:都處于運(yùn)行狀態(tài),但都未運(yùn)行完; 微觀上串行運(yùn)行:各作業(yè)交替使用CPU; 優(yōu)點(diǎn): 資源利用率高:CPU和內(nèi)存利用率較高; 作業(yè)吞吐量大:單位時(shí)間內(nèi)完成的工作總量大; 缺點(diǎn): 用戶交互性差:整個(gè)作業(yè)完成后或中間出錯(cuò)時(shí),才與用戶交互,不利于調(diào)試和修改; 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長:短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間顯著增長;,分時(shí)系統(tǒng) “分時(shí)”的含義分時(shí)是指多個(gè)用戶分享使用
8、同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。多個(gè)程序分時(shí)共享硬件和軟件資源。 多個(gè)用戶分時(shí):單個(gè)用戶使用計(jì)算機(jī)的效率低,因而允許多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)在內(nèi)存中,分別服務(wù)于不同的用戶。有用戶輸入時(shí)由CPU執(zhí)行,處理完一次用戶輸入后程序暫停,等待下一次用戶輸入時(shí)走時(shí)停 前臺(tái)和后臺(tái)程序分時(shí):后臺(tái)程序不占用終端輸入輸出,不與用戶交互現(xiàn)在的圖形用戶界面(GUI),除當(dāng)前交互的程序(輸入焦點(diǎn))之外,其他程序均作為后臺(tái) 通常按時(shí)間片(time slice)分配:各個(gè)程序在CPU上執(zhí)行的輪換時(shí)間。,批處理: 交互性差提高對(duì)CPU利用率; 分時(shí)處理:用戶與應(yīng)用程序隨時(shí)交互,控制程序運(yùn)行,適于商業(yè)和辦公事務(wù) 處理縮短響應(yīng)時(shí)間,用高級(jí)語言書寫OS U
9、nix 特色不兼容,一直困難。 可移植OS標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn):POSIX、SVID、XPG 通用OS 面向個(gè)人應(yīng)用 WINDOWS, LINUX 兩大發(fā)展方向:宏觀、微觀 宏觀:大規(guī)模,分布式 微觀:嵌入式,操作系統(tǒng)分類,批處理(Batch Processing Operation System) 分時(shí)(Time Sharing Operating System) 實(shí)時(shí) (Real Time Operating System) 多處理 (Multi-processor Operating System) 嵌入式 (Embedded OS) 個(gè)人計(jì)算機(jī)OS (Personal OS) NOS(Networ
10、k Operating System) 分布式OS(Distributed OS),批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài),單道(uniprogramming)和多道批處理的比較,多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing system)的區(qū)別:前者指多個(gè)程序同時(shí)在內(nèi)存中交替運(yùn)行,后者指多個(gè)處理器。,分時(shí)系統(tǒng)的特征,多路性:多個(gè)用戶同時(shí)工作。 共享系統(tǒng)資源,提高了資源利用率。 節(jié)省維護(hù)開支,可靠性高:笨終端至今仍在使用。 促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用,提高資源利用率:遠(yuǎn)地用戶通過終端(較便宜)聯(lián)機(jī)使用。 獨(dú)立性:各用戶獨(dú)立操作,互不干擾。 交互性:系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)用戶的操作進(jìn)行響應(yīng),顯著提高調(diào)試和修改
11、程序的效率:縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。,分時(shí)系統(tǒng)的主要問題,及時(shí)接受輸入:多個(gè)I/O端口,設(shè)立多路緩沖區(qū) 及時(shí)響應(yīng): 提高對(duì)換速度(快速外存)、 限制用戶數(shù)目、 縮短時(shí)間片(可能引起對(duì)換次數(shù)增多,開銷增大,程序總運(yùn)行時(shí)間增大) 減少對(duì)換信息量: 可重入代碼(re-entrant code); 請(qǐng)求頁式存儲(chǔ)管理:只對(duì)換部分程序,實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征 實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理:提供系統(tǒng)日期和時(shí)間、定時(shí)和延時(shí)等時(shí)鐘管理功能; 過載保護(hù):緩沖區(qū)排隊(duì),丟棄某些任務(wù),動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)周期; 過載是指進(jìn)入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力。 高度可靠性和安全性:容錯(cuò)能力(如故障自動(dòng)復(fù)位)和冗余備份(雙機(jī),關(guān)鍵部件);,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要用于過
12、程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時(shí)要求的領(lǐng)域,其主要特征是實(shí)時(shí)性和可靠性。,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別,專用系統(tǒng):許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)是專用系統(tǒng),而批處理與分時(shí)系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)控制:實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制實(shí)時(shí)過程,要求對(duì)外部事件的迅速響應(yīng),具有較強(qiáng)的中斷處理機(jī)構(gòu)。 高可靠性:實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于控制重要過程,要求高度可靠,具有較高冗余。如雙機(jī)系統(tǒng)。 事件驅(qū)動(dòng)和隊(duì)列驅(qū)動(dòng):實(shí)時(shí)系統(tǒng)的工作方式:接受外部消息,分析消息,調(diào)用相應(yīng)處理程序進(jìn)行處理。 可與通用系統(tǒng)結(jié)合成通用實(shí)時(shí)系統(tǒng):實(shí)時(shí)處理前臺(tái)作業(yè),批處理為后臺(tái)作業(yè)。,多處理操作系統(tǒng),非對(duì)稱式多處理(Asymmetric Multiprocessing
13、, ASMP):又稱主從模式(Master-slave mode)。 主處理器:只有一個(gè),運(yùn)行OS。管理整個(gè)系統(tǒng)的資源,為從處理器分配任務(wù); 從處理器:可有多個(gè),執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。 特點(diǎn):不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均,可靠性不夠高,不易移植(通常要求硬件也是非對(duì)稱)。 對(duì)稱式多處理(Symmetric Multiprocessing, SMP) OS交替在各個(gè)處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均,性能調(diào)節(jié)容易傻瓜式,對(duì)稱多處理機(jī)與非對(duì)稱多處理機(jī)的比較,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),在通用操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計(jì)算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享,提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需
14、各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合 網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo) 早期作法是通用操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件,過渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分 區(qū)別:網(wǎng)絡(luò)功能的強(qiáng)弱、使用是否方便,例,MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 UNIX: BSD, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux NOS: Novell Netware RTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus,研究操作系統(tǒng)的幾種觀點(diǎn),軟件觀點(diǎn) 外在特性: 命令集、界面 內(nèi)在特性:具有一
15、般軟件不具備的特殊結(jié)構(gòu) 資源管理觀點(diǎn) 分配、回收、競爭、保護(hù) 進(jìn)程觀點(diǎn) 將操作系統(tǒng)當(dāng)作若干個(gè)可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的程序-進(jìn)程 虛擬機(jī) 屏蔽硬件,多個(gè)層次 服務(wù)提供者 用戶角度,Windows操作系統(tǒng)歷程 開發(fā)過程 版本及其特點(diǎn) Win3x Win9x Win2000 Winxp ,http:/www.winhistory.de/more/win1.htm, Windows 1.X(1985年11月) 已有多窗口輸出、多任務(wù)處理功能、初步具有圖形界面; Windows 2.X(1987年11月) 具有圖形界面,而且已具有Windows 3.1的系統(tǒng)原型。如應(yīng)用程序的添加、支持磁盤擴(kuò)充、支持多種外設(shè)接口
16、等,開始受到外界的重視與關(guān)注; Windows /286 V2.1及Windows /386 V2.1 (1988,1989年)因當(dāng)時(shí)Windows的速度過慢而仍未普及,故推出此版本,修正核心程序(如:I/O、內(nèi)存、CPU等的控制)并以結(jié)構(gòu)化語言改寫使得速度大幅提升; Windows 3.0英文版(1990年5月)除了改正Windows 2.X版的錯(cuò)誤外,使得圖形用戶界面正式進(jìn)入個(gè)人PC的領(lǐng)域;擁有真正GUI的操作系統(tǒng);除此之外,還提供一個(gè)非常完善的用戶環(huán)境。增強(qiáng)了多任務(wù)處理、GUI、存儲(chǔ)管理等能力;, Windows 3.0中文版(1991年7月31日) ,中文化的操作界面,主要添加了中文輸
17、入法及漢字庫的支持; Windows 95英文版(1992年4月) Windows 95中文版(1993年8月)除英文版功能外,還新增如多顯卡支持、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)、兼容性與穩(wěn)定性等。 Windows 95中文版新特性(1995年8月) 真正32位的操作系統(tǒng) 全新的工作桌面 支持長文件名 支持硬件的即插即用 32位可搶先( Preemptive ) 多任務(wù)系統(tǒng) 全新的多媒體享受 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持 更友好的安裝、操作界面,Windows1.01,Windows1.02,Windows1.03,Windows 2.xx,Windows NT體系結(jié)構(gòu),Windows 2000的特點(diǎn),支持對(duì)稱多處理機(jī) 真正的
18、32位操作系統(tǒng):除16位應(yīng)用的支持代碼,沒有16位的代碼;兼容16位Windows應(yīng)用 完全的代碼可重入(reentrant):同一段代碼可由多個(gè)應(yīng)用同時(shí)訪問; 圖形用戶界面GUI(和字符用戶界面),搶先式多任務(wù)和多線程 虛擬存儲(chǔ):段頁式(有存儲(chǔ)保護(hù)) 文件系統(tǒng):NTFS(HPFS),支持安全控制 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序:VxD(virtual driver) 可移植:適用于多種硬件平臺(tái) 容錯(cuò)能力 面向?qū)ο筇匦裕河脤?duì)象來表示所有資源。,Windows 2000/XP的體系結(jié)構(gòu),本章要點(diǎn),操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段 幾種常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)范型 Windows 2000/XP的操作系統(tǒng)模型
19、Windows 2000/XP的體系結(jié)構(gòu) Windows 2000/XP的重要組成部分 Windows 2000/XP的系統(tǒng)機(jī)制 Windows 2000/XP注冊(cè)表、服務(wù)控制與管理機(jī)制,操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題,操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著不同于一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特征 復(fù)雜程度高 研制周期長 正確性難以保證 解決途徑 良好的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 先進(jìn)的開發(fā)方法和工程化的管理方法 高效的開發(fā)工具,操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),可靠性:正確性和健壯性, 主要指并發(fā)、共享及其引起的不確定性 高效性:提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率 易維護(hù)性:易讀、易擴(kuò)充、易剪裁、易修改性 易移植性:一次開發(fā),多處使用 安全性:計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ) 可適應(yīng)性
20、 簡明性,Windows 2000/XP的設(shè)計(jì)目標(biāo),總原則:市場需求 驅(qū)動(dòng) 設(shè)計(jì)目標(biāo) 需求: 提供一個(gè)真32位搶占式可重入的虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng) 能夠在多種硬件體系結(jié)構(gòu)和平臺(tái)上運(yùn)行 能夠在對(duì)稱多處理系統(tǒng)上運(yùn)行并具有良好的可伸縮性 優(yōu)秀的分布式計(jì)算平臺(tái),既可作為網(wǎng)絡(luò)客戶,又可作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 可運(yùn)行多數(shù)現(xiàn)有16位MS-DOS和Microsoft Windows 3.1 應(yīng)用程序 符合對(duì)POSLX 1003.1的要求 符合政府和企業(yè)對(duì)操作系統(tǒng)安全性的要求 支持Unicode,適應(yīng)全球市場的需要,Windows 2000/XP的設(shè)計(jì)目標(biāo): 可擴(kuò)充性 可移植性 可靠性及堅(jiān)固性 兼容性 性能,操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考
21、慮,功能設(shè)計(jì):操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些功能 算法設(shè)計(jì):選擇和設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)功能的算法和策略,并分析和估算其效能 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):選擇合適的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),按照系統(tǒng)的功能和特性要求,選擇合適的結(jié)構(gòu),使用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)逐步地分解、抽象和綜合,使操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、簡單、可靠、易讀、易修改,而且使用方便,適應(yīng)性強(qiáng),操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)問題,程序結(jié)構(gòu) 程序結(jié)構(gòu)的兩層含義: 整體結(jié)構(gòu)、局部結(jié)構(gòu) 程序的結(jié)構(gòu)良好的準(zhǔn)則 軟件結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 大型軟件,模塊劃分、接口定義復(fù)雜 并發(fā)性,接口復(fù)雜、信息交換頻繁 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,應(yīng)用擴(kuò)大、使用要求提高使得操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,幾種常見的操作
22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模塊組合結(jié)構(gòu) 模塊組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與適應(yīng)性 模塊間轉(zhuǎn)接隨便 數(shù)據(jù)基本上作為全程量處理 常常關(guān)中斷,系統(tǒng)的并發(fā)性難以提高,層次結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的核心思想 例如E.W.Dijkstra的THE系統(tǒng):,分層原則 與硬件相關(guān)的最底層 計(jì)算機(jī)具有多操作方式多操作方式共有的基本部分放在內(nèi)層,具體操作方式相關(guān)的方在外層; OS基于進(jìn)程的概念,內(nèi)核放在內(nèi)層;內(nèi)層中又分多層,公用功能在最內(nèi)層。,層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 分解成許多功能單一的模塊,各模塊之間有清晰的組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系 具有更高的可讀性和可適應(yīng)性 層次結(jié)構(gòu)是單向依賴的,上層模塊建立在下層基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了比較可靠的基礎(chǔ) 很容易增加或替換掉一層而不影
23、響其它層次 便于修改、擴(kuò)充,層次結(jié)構(gòu)的層間關(guān)系,全序:同層模塊不互相調(diào)用,各層簡單向 半序:有循環(huán),進(jìn)程分層結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)代價(jià)較大: 必須設(shè)立一個(gè)進(jìn)程控制塊,用以保留進(jìn)程的狀態(tài)信息,增加了內(nèi)存開銷 進(jìn)程之間的控制轉(zhuǎn)移、狀態(tài)保留及信息傳送,均由核心去管理,時(shí)間消耗多,效率下降 系統(tǒng)并發(fā)活動(dòng)過多,調(diào)度負(fù)擔(dān)過重,且同步操作過于分散,易于造成死鎖,影響了系統(tǒng)的安全性,層次結(jié)構(gòu)的兩種類型,層次管程結(jié)構(gòu) 進(jìn)程:并發(fā)單位 類程:專用資源的抽象 管程:共享資源的抽象 一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)由內(nèi)核和一組有限個(gè)滿足規(guī)定調(diào)用關(guān)系的進(jìn)程P、類程C和管程M構(gòu)成。 其中進(jìn)程是系統(tǒng)中唯一能動(dòng)的成份,管程和類程都是被動(dòng)成份,優(yōu)點(diǎn) 采用層
24、次管程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、統(tǒng)一 同步操作相對(duì)集中,系統(tǒng)安全性較高 用高級(jí)語言書寫程序,研制周期短,通過編譯技術(shù)獲取更高的靈活性和效率 只用一種概念描述并發(fā),減少了不必要的并行性,減少了系統(tǒng)開銷。 缺點(diǎn): 管程嵌套問題比較難于高效的解決 不便于管理多個(gè)資源和全局性資源,虛擬機(jī)結(jié)構(gòu),如IBM大型機(jī)上的系列操作系統(tǒng) 基本思想:系統(tǒng)應(yīng)該提供多道程序能力及一個(gè)比裸機(jī)有更方便擴(kuò)展界面的計(jì)算機(jī) 。但二者的實(shí)現(xiàn)應(yīng)相互獨(dú)立 特點(diǎn) 虛擬機(jī)概念可以實(shí)現(xiàn)完全保護(hù) 用軟件從硬件逐層擴(kuò)展 虛擬機(jī)方法把多道程序和擴(kuò)展機(jī)器的功能完全分開,使每一部分都簡單、靈活,更易于維護(hù)。,CMS: 會(huì)話監(jiān)控系統(tǒng),微內(nèi)核(客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu))
25、,CMU的Mach、早期的Windows NT 非常適宜于應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,應(yīng)用于分布式處理的計(jì)算環(huán)境中 由下面兩大部分組成 運(yùn)行在核心態(tài)的“微”內(nèi)核 用戶態(tài),以C/S模式運(yùn)行的若干進(jìn)程,通過內(nèi)核進(jìn)行通信 主要特點(diǎn) 機(jī)制(內(nèi)核)與策略(服務(wù)進(jìn)程)分離比較徹底 可靠 靈活 適合分布式計(jì)算的需求 缺點(diǎn):效率較低,其它體系結(jié)構(gòu),外展式核心(Exokernels) 這種觀點(diǎn)認(rèn)為操作系統(tǒng)應(yīng)該只負(fù)責(zé)在競爭的用戶之間安全、有效的分配計(jì)算資源 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的絕大部分功能應(yīng)該在系統(tǒng)庫中以可選的方式鏈接進(jìn)用戶程序 可擴(kuò)展系統(tǒng) 可擴(kuò)展系統(tǒng)認(rèn)為應(yīng)該將盡可能多的模塊以一種受保護(hù)的方式放進(jìn)核心當(dāng)中。操作系統(tǒng)的構(gòu)造者可以先
26、構(gòu)造從一個(gè)只包含稍微多于核心保護(hù)機(jī)制的一個(gè)最小核心。而其它的功能則通過不斷的往核心中添加受保護(hù)的模塊實(shí)現(xiàn)。,2.2 Windows 2000/XP系統(tǒng)模型,融合了分層操作系統(tǒng)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,使用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì),采用整體式的實(shí)現(xiàn) Windows 2000/XP通過硬件機(jī)制實(shí)現(xiàn)了核心態(tài)以及用戶態(tài)兩個(gè)特權(quán)級(jí)別 。對(duì)性能影響很大的操作系統(tǒng)組件運(yùn)行在核心態(tài)。核心內(nèi)沒有保護(hù)。 Windows 2000/XP的核心態(tài)組件使用了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則 出于可移植性以及效率因素的考慮,大部分代碼使用了基于C語言的對(duì)象實(shí)現(xiàn)。 Windows 2000/XP的很多系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行在核心態(tài),這使得Window
27、s 2000/XP更加高效,而且也是相當(dāng)穩(wěn)定的。,Windows 2000/XP的構(gòu)成,用戶態(tài)組件 系統(tǒng)支持進(jìn)程(system support process),不是Windows 2000/XP服務(wù),不由服務(wù)控制器啟動(dòng)。 服務(wù)進(jìn)程(service process),Windows 2000/XP的服務(wù)。 環(huán)境子系統(tǒng)(enviroment subsystems),它們向應(yīng)用程序提供操作系統(tǒng)功能調(diào)用接口包括:Win32、POSIX和OS/2 1.2。 應(yīng)用程序(user applications),五種類型:Win32、Windows 3.1、MS-DOS、POSIX 或OS/2 1.2。 子系
28、統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫:調(diào)用層轉(zhuǎn)換和映射,核心態(tài)組件 核心(kernel)包含了最低級(jí)的操作系統(tǒng)功能,例如線程調(diào)度、中斷和異常調(diào)度、多處理器同步等。同時(shí)它也提供了執(zhí)行體(Executive)用來實(shí)現(xiàn)高級(jí)結(jié)構(gòu)的一組例程和基本對(duì)象。 執(zhí)行體包含基本的操作系統(tǒng)服務(wù),例如內(nèi)存管理器、進(jìn)程和線程管理、安全控制、I/O以及進(jìn)程間的通信。 硬件抽象層(HAL, Hardware Abstraction Layer)將內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及執(zhí)行體同硬件分隔開來,實(shí)現(xiàn)硬件映射。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(Device Drivers)包括文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等,其中硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂脩舻腎/O函數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)換為對(duì)特定硬件設(shè)備的I
29、/O請(qǐng)求。 圖形引擎包含了實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面(GUI,Graphical User Interface)的基本函數(shù)。,可移植性的獲得,兩種方法 分層的設(shè)計(jì) 依賴于處理器體系結(jié)構(gòu)或平臺(tái)的系統(tǒng)底層部分被隔離在單獨(dú)的模塊之中,系統(tǒng)的高層可以被屏蔽在千差萬別的硬件平臺(tái)之外。提供操作系統(tǒng)可移植性的兩個(gè)關(guān)鍵組件是HAL和內(nèi)核。依賴于體系結(jié)構(gòu)的功能在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn),在相同體系結(jié)構(gòu)中,因計(jì)算機(jī)而異的功能在HAL中實(shí)現(xiàn)。 Windows 2000/XP大量使用高級(jí)語言執(zhí)行體、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等用C語言編寫,圖形用戶界面用C+編寫。只有那些必須和系統(tǒng)硬件直接通信的操作系統(tǒng)部分,或性能極度敏感的部分是用匯編語言編寫的。匯編語
30、言代碼分布集中且少。,對(duì)稱多處理器支持,代碼對(duì)多處理器的可伸縮性好 完善的IPC和鎖機(jī)制解決資源競爭問題 核心態(tài)組件代碼可重入程度極高 多優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度(利用系統(tǒng)陷阱調(diào)度),多數(shù)核心態(tài)組件代碼都可以被搶占 由NTOSKRNL.EXE屏蔽SMP硬件設(shè)置,絕大多數(shù)組件不可見、也無需關(guān)心,。,2.3 Windows 2000/XP的構(gòu)成,P43 圖2-5 windows2000/xp體系結(jié)構(gòu),內(nèi)核 內(nèi)核對(duì)象 硬件支持 硬件抽象層 執(zhí)行體 驅(qū)動(dòng)程序 環(huán)境子系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)鏈接庫 Win32 Posix Os/2 Ntdll.dll 系統(tǒng)支持進(jìn)程,內(nèi)核,功能 線程安排和調(diào)度 陷阱處理和異常調(diào)度 中斷處理和調(diào)
31、度 多處理器同步 供執(zhí)行體使用的基本內(nèi)核對(duì)象 始終運(yùn)行在核心態(tài),代碼精簡,可移植性好。除了中斷服務(wù)例程(ISR,interrupt service routine),正在運(yùn)行的線程不能搶先內(nèi)核。,內(nèi)核對(duì)象 幫助控制、處理并支持執(zhí)行體對(duì)象的操作,以降低系統(tǒng)策略代價(jià) 控制對(duì)象,這個(gè)對(duì)象集和包括內(nèi)核進(jìn)程對(duì)象、異步過程調(diào)用(APC,asynchronous procedure call)對(duì)象、延遲過程調(diào)用(DPC,deferred procedure call)對(duì)象和幾個(gè)由I/O系統(tǒng)使用的對(duì)象,例如中斷對(duì)象。 調(diào)度程序?qū)ο蠹县?fù)責(zé)同步操作并影響線程調(diào)度。調(diào)度程序?qū)ο蟀▋?nèi)核線程、互斥體(Mutex)、
32、事件(Event)、內(nèi)核事件對(duì)、信號(hào)量(Semaphore)、定時(shí)器和可等待定時(shí)器,內(nèi)核與硬件 使得執(zhí)行體和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同硬件無關(guān) 實(shí)現(xiàn)手段:一組在多個(gè)體系結(jié)構(gòu)上可移植、同語義的接口 內(nèi)核也有部分代碼不具有移植性 支持虛擬8086模式的代碼,用以運(yùn)行一些古老的16位DOS程序 高速緩存管理 描述表切換,硬件抽象層(HAL),實(shí)際硬件與Windows 2000/XP抽象計(jì)算機(jī)描述的接口層和功能映射層 隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié),例如I/O接口、中斷控制器以及多處理器通信機(jī)制等 實(shí)現(xiàn)多種硬件平臺(tái)上的可移植性,執(zhí)行體,提供的功能性調(diào)用 從用戶態(tài)導(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù)。這些函數(shù)的接口在NTDLL.DLL
33、中。通過Win32API或一些其他的環(huán)境子系統(tǒng)可以對(duì)它們進(jìn)行訪問。 從用戶態(tài)導(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù),但當(dāng)前通過任何文檔化的子系統(tǒng)函數(shù)都不能使用。 在Windows 2000 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)。 在核心態(tài)組件中調(diào)用但沒有文檔化的函數(shù)。例如在執(zhí)行體內(nèi)部使用的內(nèi)部支持例程。 組件內(nèi)部的函數(shù)。,包含的功能實(shí)體 進(jìn)程和線程管理器創(chuàng)建及中止進(jìn)程和線程。對(duì)進(jìn)程和線程的基本支持在Windows 2000內(nèi)核中實(shí)現(xiàn),而執(zhí)行體給這些低級(jí)對(duì)象添加附加語義和功能。 虛擬內(nèi)存管理器實(shí)現(xiàn)“虛擬內(nèi)存”。內(nèi)存管理器也為高速緩存管理器提供基本的支持。 安全引用監(jiān)視器在本地計(jì)算機(jī)上執(zhí)行安全策略。它保護(hù)
34、了操作系統(tǒng)資源,執(zhí)行運(yùn)行時(shí)對(duì)象的保護(hù)和監(jiān)視。 I/O系統(tǒng)執(zhí)行獨(dú)立于設(shè)備的輸入/輸出,并為進(jìn)一步處理調(diào)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 高速緩存管理器通過將最近引用的磁盤數(shù)據(jù)駐留在主內(nèi)存中來提高文件I/O的性能,并且通過在把更新數(shù)據(jù)發(fā)送到磁盤之前將它們?cè)趦?nèi)存中保持一個(gè)短的時(shí)間來延緩磁盤的寫操作,這樣就可以實(shí)現(xiàn)快速訪問。,對(duì)象管理:創(chuàng)建、管理以及刪除Windows 2000/XP的執(zhí)行體對(duì)象和用于代表操作系統(tǒng)資源的抽象數(shù)據(jù)類型,例如進(jìn)程、線程和各種同步對(duì)象。 本地過程調(diào)用(LPC,Local Procedure Call)機(jī)制,在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的客戶進(jìn)程和服務(wù)進(jìn)程之間傳遞信息。LPC是一個(gè)靈活的、經(jīng)過優(yōu)化的
35、“遠(yuǎn)程過程調(diào)用”(RPC,Remote Procedure Call)版本。 一組廣泛的公用運(yùn)行時(shí)函數(shù),例如字符串處理、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和完全結(jié)構(gòu)處理。 執(zhí)行體支持例程,例如系統(tǒng)內(nèi)存分配(頁交換區(qū)和非頁交換區(qū))、互鎖內(nèi)存訪問和兩種特殊類型的同步對(duì)象:資源和快速互斥體。,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,可加載的核心態(tài)模塊 I/O系統(tǒng)和相關(guān)硬件之間的接口 使用WDM以及加強(qiáng)的WDM方式 分類 硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序操作硬件。 文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序接受面向文件的I/O請(qǐng)求,并把它們轉(zhuǎn)化為對(duì)特殊設(shè)備的I/O請(qǐng)求。 過濾器驅(qū)動(dòng)程序截取I/O并在傳遞I/O到下一層之前執(zhí)行某些特定處理。,環(huán)境子系統(tǒng),將基本的執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)的某些
36、子集以特定的形態(tài)展示給應(yīng)用程序,函數(shù)調(diào)用不能在不同子系統(tǒng)之間混用,因此每一個(gè)可執(zhí)行的映像都受限于唯一的子系統(tǒng) 三種環(huán)境子系統(tǒng):POSIX、OS/2和Win32(OS/2 只能用于x86系統(tǒng)) Win32子系統(tǒng)必須始終處于運(yùn)行狀態(tài),其他兩個(gè)子系統(tǒng)只是在需要時(shí)才被啟動(dòng),Win32子系統(tǒng)是Windows 2000/XP運(yùn)行的基本條件之一。,Win32子系統(tǒng) Win32環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程CSRSS,包括對(duì)下列功能的支持:控制臺(tái)(文本)窗口、創(chuàng)建及刪除進(jìn)程與線程、支持16位DOS虛擬機(jī)(VDM)進(jìn)程的部分。 核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(WIN32K.SYS)。 圖形設(shè)備接口(GDI,Graphics Device
37、Interfaces) 子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫,它調(diào)用NTOSKRNL.EXE和WIN32.SYS將文檔化的Win32 API函數(shù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆俏臋n化的核心系統(tǒng)服務(wù)。 圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,包括依賴于硬件的圖形顯示驅(qū)動(dòng)程序、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和視頻小型端口驅(qū)動(dòng)程序。 其他混雜的函數(shù),如幾種自然語言支持函數(shù)。,POSIX子系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的強(qiáng)迫性目標(biāo) 實(shí)現(xiàn)了POSIX.1,功能局限,用處不大 Windows XP實(shí)際上并不包含POSIX子系統(tǒng) 今后產(chǎn)品的POSIX/UNIX子系統(tǒng)將大大加強(qiáng),P49 圖2-7 interix的體系結(jié)構(gòu),NTDLL,主要用于子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫的特殊系統(tǒng)支持庫 功能 提供系統(tǒng)調(diào)用入口 為子
38、系統(tǒng)、子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)鏈接庫、及其他本機(jī)映像提供內(nèi)部支持函數(shù) NTDLL也包含許多支持函數(shù),例如映像加載程序、堆管理器和Win32子系統(tǒng)進(jìn)程通信函數(shù)以及通用運(yùn)行庫。 用戶態(tài)異步過程調(diào)用(APC)調(diào)度器和異常調(diào)度器。,系統(tǒng)支持進(jìn)程,Idle進(jìn)程 系統(tǒng)進(jìn)程 會(huì)話管理器SMSS Win32子系統(tǒng)CSRSS 登錄進(jìn)程WINLOGIN 本地安全身份驗(yàn)證服務(wù)器LSASS 服務(wù)控制器SERVICES及其相關(guān)的服務(wù)進(jìn)程,Windows 2000/XP的系統(tǒng)機(jī)制,陷阱調(diào)度,包括中斷、延遲過程調(diào)用(DPC,Deferred Procedure Call)、異步過程調(diào)用(APC,Asynchronous Procedur
39、e Call)、異常調(diào)度(Exception Dispatching)和系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度(System Service Dispatching) 執(zhí)行體對(duì)象管理器(Executive Object Manager) 同步(Synchronization),包括自旋鎖(Spin lock)、內(nèi)核調(diào)度程序?qū)ο螅↘ernel Dispatcher Objects) 本地過程調(diào)用(LPC,Local Procedure Call),陷阱調(diào)度,當(dāng)異?;蛑袛喟l(fā)生時(shí),硬件或軟件可以檢測(cè)到,處理器會(huì)從用戶態(tài)切換到核心態(tài),并將控制轉(zhuǎn)交給內(nèi)核的陷阱處理程序,該模塊檢測(cè)異常和中斷的類型,并將控制交給處理相應(yīng)情況的代碼,
40、異常和中斷 中斷是異步事件,可能隨時(shí)發(fā)生,與處理器正在執(zhí)行的內(nèi)容無關(guān)。中斷主要由I/O設(shè)備、處理器時(shí)鐘或定時(shí)器產(chǎn)生,可以被啟用或禁用 異常是同步事件,它是某一特定指令執(zhí)行的結(jié)果。在相同條件下,異??梢灾噩F(xiàn)。例如內(nèi)存訪問錯(cuò)誤、調(diào)試指令以及被零除。 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用也視作異常。 軟件和硬件都可以產(chǎn)生異常和中斷。 陷阱幀:完整的線程描述表的子集,用于現(xiàn)場保護(hù) 陷阱處理程序處理少量事件,多數(shù)轉(zhuǎn)交給其他的內(nèi)核或執(zhí)行體模塊處理,中斷調(diào)度,中斷分類和優(yōu)先級(jí) 中斷請(qǐng)求級(jí)別(IRQL,Interrupt Request Level) 硬件中斷 軟件中斷 APC 異步過程調(diào)用 DPC 延遲過程調(diào)用,P53 圖2-9
41、中斷請(qǐng)求級(jí)別,硬件中斷處理過程 保存計(jì)算機(jī)的狀態(tài) 禁用中斷 調(diào)用中斷調(diào)度程序 提高處理器的IRQL到中斷源的級(jí)別 重新啟用中斷 在中斷分配表中查找處理特定中斷的例程 服務(wù)例程執(zhí)行 降低處理器的IRQL到該中斷發(fā)生前的級(jí)別 加載保存的機(jī)器狀態(tài) 中斷返回,軟件中斷的處理 延遲過程調(diào)用,P56 圖2-10 延遲過程調(diào)用的提交,異步過程調(diào)用apc 異步過程調(diào)用為用戶程序和系統(tǒng)代碼提供了一種在特殊用戶線程的描述表(一個(gè)特殊的進(jìn)程地址空間)中執(zhí)行代碼的方法 有用戶態(tài)APC和核心態(tài)APC,異常調(diào)度,異常直接由運(yùn)行程序的執(zhí)行所產(chǎn)生。 除了那些可由陷阱處理程序解決的簡單異常外,所有異常都是由異常調(diào)度程序接管 結(jié)
42、構(gòu)化異常處理 基于框架的異常處理程序 異常調(diào)度過程,P59 圖2-11 異常調(diào)度,系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度,在Alpha處理器上執(zhí)行syscall指令或在Intel x86處理器上執(zhí)行int 2E指令都會(huì)引起系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度程序?qū)⒁来巫飨旅鎺准拢?校驗(yàn)參數(shù) 調(diào)用者的參數(shù)從線程的用戶堆棧復(fù)制到它的核心堆棧中 執(zhí)行系統(tǒng)服務(wù),P60 圖2-12 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度,對(duì)象管理器,執(zhí)行體組件之一 用于創(chuàng)建、刪除、保護(hù)和跟蹤對(duì)象 提供使用系統(tǒng)范圍內(nèi)資源使用的公共、一致的機(jī)制 實(shí)現(xiàn)對(duì)象的集中保護(hù) 實(shí)現(xiàn)了資源的訪問控制 對(duì)象管理器有一套對(duì)象命名方案和統(tǒng)一的保留規(guī)則,能夠容易地操縱現(xiàn)有對(duì)象,執(zhí)行體對(duì)象 由執(zhí)行體的各種組件實(shí)現(xiàn) 進(jìn)程管理器、內(nèi)存管理器、I/O子系統(tǒng)等 內(nèi)核對(duì)象 由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的原始的對(duì)象集合 這些對(duì)象對(duì)用戶態(tài)代碼是不可見的,它們僅在執(zhí)行體內(nèi)創(chuàng)建和使用 內(nèi)核對(duì)象提供了一些基本性能,許多執(zhí)行體對(duì)象內(nèi)包含著一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核對(duì)象。,對(duì)象命名 對(duì)象頭:存儲(chǔ)對(duì)象管理信息和描述信息 類型對(duì)象:保存特定對(duì)象類型
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