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1、1.4 操作系统结构和运行模型1.4.1 操作系统的构件和结构 1.4.2 操作系统的运行模型 1.4.3 Windows 2003客户/服务器结构1.4.1 操作系统构件和结构 操作系统设计呈现出以下特征： 复杂程度高， 生成周期长， 正确性难保证 。 操作系统结构设计有三层含义：一是研究操作系统整体结构，如功能如何分 块，相互如何交互，及考虑构造它的过程和方 法；二是研究操作系统程序局部结构，包括数据 结构和控制结构；三是操作系统运行时的组织，如系统是否组 织成进程或线程?在系统空间还是在用户空间运 行? 操作系统的构件 内核 进程 线程 类程 管程1.操作系统的内核(1)1)什么是内核?
2、 2)内核分类：微内核和单内核。 3)Linux是单内核操作系统 ，Mach 是微内核操作系统 ， Windows2003是C/S结构操作系 统。操作系统的内核 内核（kernel）是一组程序模块 作为可信软件来提供支持进程并发执行的 基本功能和基本操作 通常驻留内存，运行于核心态 具有访问硬件设备和所有主存空间的权限 是仅有的能够执行特权指令的程序。整体式结构的操作系统操作系统的整体式结构又叫模块组合法， 早期操作系统(如IBM操作系统)采用这种结 构设计方法主要设计思想：把模块作为操作系统的基 本单位，按照功能需要组织模块。主要设计步骤：分析、设计、编码、测试主要优点：结构紧密、组合方便主
3、要缺点：模块独立性差，系统复杂性高层次式结构的操作系统 层次式结构是把操作系统的实现划分为 若干模块，这些模块按功能的调用次序 排列成若干层次，各层之间只能是单向 依赖或单向调用关系，这样不但系统结 构清晰，而且不构成循环。 层次结构的由底向上方法和自顶向下 方法 操作系统的内核(2) Linux单内核结构 用户 态系统库(函数库)应用程序系统调用接口模块内核(进程管理、 存储管理、文件 管理、设备管理 、网络管理)设备驱动计算机硬件核心 态单内 核客户/服务器与 微内核结构操作系统将操作系统分成两大部分 运行在用户态并以C/S方式活动的进程; 运行在核心态的内核 每个进程实现一类服务，称服务
4、器进程(如文 件服务、进程管理服务、存储管理服务、网络 通信服务等)。它的任务是检查客户提出的服 务请求，如果有则在满足客户的要求后返回结 果。于是，用户进程与服务器进程形成了C/S 关系客户/服务器与微内核结构操作系统 运行在核心态的内核把客户消息传 给服务器; 服务器执行相应操作，再通过内核 用消息把结果返回给用户。 内核实现极少任务，主要起信息验 证、交换的作用，因而称微内核 (Microkernel)，这种OS结构也就 称为客户/服务器与微内核结构。客户/服务器与微内核结构操作 系统示意1） 分层结构内核2） 微内核进程管理硬件存储管理设备管理文件管理作业管理内 核 模 式微内核硬件客
5、 户 进 程安 全 服 务虚 存 管 理 器文 件 服 务 器设 备 驱 动 程 序用 户 模 式客户/服务器与微内核 结构操作系统的优点1）一致性接口 2）可扩充性 3）可移植性 4）可靠性 5）支持分布式系统 6）支持面向对象的操作系统 系统的瓶颈：进程只能通过微内核 相互通信微内核提供的功能与服务（一般情况）微内核必须包括: 直接依赖于硬件的功能 支撑操作系统用户模式的应用 程序和服务所需的功能。 功能：存储管理、进程通信、 I/O和中断管理操作系统的内核(3) 微内核结构操作系统 服务进程客户 进程1客户 进程2文件服 务器进程服 务器主存服 务器微内核(消息传递)计算机硬件用户进程用
6、 户 态核 心 态客户通过微内 核发送消息给 文件服务器内核的基本功能基本功能: 资源抽象- 资源分配- 资源共享-内核的基本属性基本属性: 内核是由中断驱动的 内核是不可抢占的 内核部分程序在屏蔽中断状态 下执行 内核可以使用特权指令 内核虚拟机具有的特性内核和裸机组成的虚拟机具有以下特 性：1）虚拟机没有中断，2）虚拟机为每个进程提供了 一台虚拟处理器，3）虚拟机为进程或模块提供 了功能较强的指令系统。机制与策略分离在策略与机制分离的操作系统中， 解决应用问题均可分成两部分：“ 提供及实现确定的功能(机制)，常 常将机制作为系统的可信软件来实 现”和“如何使用这些功能(策略)， 可在不可信
7、的环境中定义策略”。 2.进程 进程是程序的执行，进程能准确、动态地 刻画计算机系统内部的并发性，解决系统 资源的共享性。3.线程 在无线程的操作系统中，进程是系统资源 分配和系统调度的基本单位。 引入线程之后，进程是系统资源的分配单 位，线程是系统调度的单位。4.管程 管程是管理共享资源的一种同步机制。5.类程 类程用于管理私有资源。1.4.2 操作系统的运行模型 操作系统本身是一组程序，也在处理器 上运行，那么，操作系统程序是否组织 成进程?它是如何控制的、怎样执行的呢 ?它在什么模式下运行呢? 从操作系统的运行方式来看，可分成：1)非进程内核模型、2)OS功能(函数)在用户进程内执行的模
8、型 3)OS功能(函数)作为进程执行的模型。操作系统的运行模型(1) 1）非进程内核模型应用 进程应用 进程内核应用 进程核心态用户态操作系统运行模型(2) 2）OS功能在用户进程内执行的模型核心态用户态内核 函数内核 函数内核 函数应用 进程应用 进程进程切换 函数应用 进程操作系统的运行模型(3) 3）OS功能作为独立进程执行的模型微内核（进程切换函数）应 用 进 程OS 函 数用 户 态核 心 态应 用 进 程OS 函 数应 用 进 程OS 函 数Windows2000/XP客户/服务器结构(1) 结构简框系统 进程服务 进程应用 程序环境子 系统子系统动态链接库 用户态核心态执行体核心
9、 设备驱动程序硬件抽象层图形 引擎Windows2000/ XP客户/服务器结构(2)系统线程NTDLL.DLLService.exeRPCSpooler事件日志服务进程任务管理器IE浏览器用户程序子系统DLL应用程序POSIXOS2WIN32环境子系统服务管理器 安全验证Win登录 会话管理器系统进程核 心 态用 户 态Win32 User GDI 图形驱动 器硬件抽象层(HAL)设备驱动程序内核对象管理器核心态可调用接口(执行程序API)系统服务调度进程I/O 管理器文件缓 存管理进程线 程管理安全访 问监视虚存 管理局部过 程调用注册表配 置管理器电源 管理器即插即 用管理硬件接口（总线、I/O、时钟、计时器、中断、DMA、CACHE控制器）小结 1 操作系统的构件 2 操作系统的结构 3 操作系统的内核 4 微内核结构 5 操作系统的运行模型
