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1、第十一章 操作系统设计,操作系统设计目标 操作系统基本内核 操作系统体系结构 基于公共变量的结构 基于消息传递的结构 微内核结构 操作系统设计方法 模块接口法 核扩充法 层次化方法 面向对象方法,11.1 操作系统设计目标,正确性 高效性 系统效率 Tu: 执行用户程序所占时间 Tsu: 执行操作系统程序为用户服务所占时间 Tsm: 执行操作系统程序做系统管理所占时间 可维护性 易读，易修改，易裁减，易扩充 可移植性,11.2 操作系统基本内核,内核成分 中断处理 原语管理 短程调度（低级调度） 交通控制,中断处理,原语管理,短程调度,交通控制,11.3 操作系统体系结构,操作系统组成成分 主
2、动成分：进程，线程 被动成分：模块，对象 基于共享变量的体系结构 基于消息通讯的体系结构 微内核结构,成分间的关系,主动,主动,消息,主动,主动,公共变量,1. 主动-主动,2. 主动-被动,主动,主动,被动,主动,被动,被动,成分间的关系,被动-被动,被动,主动,主动,主动,被动,被动,被动,被动,11.3.1 基于共享变量的体系结构,优点：效率高 缺点：不适合分布,11.3.2 基于消息通讯的体系结构,基本内核,高级通讯原语,优点：适合分布 缺点：效率不高,11.3.3 微内核结构,文件系统,设备驱动,虚拟存储,进程控制,应用程序,应用程序,微内核 (Micro-kernel),硬件,微内
3、核(micro-kernel)是体积很小的内核，只包括操作系统中绝对必要的成分，其它与应用有关的系统功能以进程或线程模式在目态执行 .,微内核组成,处理机调度 基本中断处理程序 同步机制 内存管理 进程通讯原语 电源管理,优缺点,优点 体积小,正确性健壮性容易保障 适应性好,灵活性强，应用面广 缺点 实现效率低 许多系统功能如文件、设备操作等需要由用户进程切换到系统进程处理，然后切换回用户进程，需要进行两次进程切换。而在传统系统中只需一次系统调用(两次mode切换)即可完成. 微内核的效率是不可忽视的问题.,优缺点,微内核结构的另外一个问题是标准化问题，目前已经有许多基于微内核结构的嵌入式操作
4、系统，然而这些系统的微内核结构的API界面并不一致，这给上层应用软件的开发和移植带来困难. 随着微内核结构和嵌入式系统的发展，微内核结构的工业标准界面API将被建立，这样在一个微内核上开发的应用程序可以方便地被移植到另外一个微内核系统中，这将大大提高软件的重用性，缩短软件开发周期并降低开发成本由美国CMU研制的Mach是第一个成功应用微内核结构的操作系统,11.4 操作系统设计方法,1. 模块接口法 功能1：模块1 功能2：模块2 . 功能n：模块n,优点：高效 缺点：正确性难于保障 （难于综合评价和修改）,基本内核,硬件,扩充1,扩充2,OS1,OS2,特点：适应性好,2. 核扩充法,目标、
5、功能可以各不相同,3. 层次化方法 E.W. Dijkstra 分若干层 层间单向依赖(全序，半序) Example system: THE 全序：同层模块相互独立 半序：同层模块可有调用 （同层间可能存在循环）。,M1,M2,M4,M9,M6,M7,M8,M5,M3,层次化设计的实现 1. 确定设计目标(An)：分时、实时、批处理等 2. 确定宿主系统(A0)：硬件裸机或虚拟机 3. 层次设计 (1) 自底向上(bottom-up) ： A0,A1,A2,An-1,An 优点：易于调试 ； 缺点：可能偏离设计目标 Ai：具有如下性质：, Ai所提供的资源和功能构成了建立Ai+1的全部基础,
6、即保持单向依赖关系;,层次化设计的实现, 从Ai扩充到Ai+1时, 不一定Ai的全部功能都得到了扩充. Ai中未扩充的那些功能可视为延续到了Ai+1中去, 因而Ai+1中的某些功能等同于Ai的功能. 在使用这些功能来建造Ai+2时,应当将这些功能看作是Ai+1中的功能, 而不必考虑此功能是在产生Ai+1时新建立的呢, 还是Ai保留下来的; 在定义Ai的新资源时所用到的Ai-1的资源在Ai中不应当再出现, 即以新代旧，以后就不再引用旧资源了; 最终目标机An的正确性, 可以通过逐步证明每个虚拟机Ai 的正确性来得到证实.,层次化设计的实现 (2) 自顶向下(top-down) 为了实现目标系统A
7、n, 我们先设计一个适当的虚拟机An-1, 使得目标系统能在此虚拟机上实现, 与An相比An-1更容易在宿主机上实现; An-1的新要求构成一个新目标, 再设计一个虚拟机An-2来实现这一新的目标; 如此下去就产生一个与自底向上相反的虚拟机序列: An, An-1, An-2, A1, A0 其中A0是供使用的宿主系统, 它能够独立地运行. 这种方法的特点是, 除每层都是作为工具实现上一层外, 各层之间完全独立. 优点：无偏差 缺点：调试困难(仿真),(3) 混合策略 A0,A1,A2,An-1,An,4. 分层原则 (1) 与界面有关的放在高层 (2) 与硬件有关的放在低层 (3) 并发控制
8、放较低层 (4) 其它放在中层,分层实例,6层,5层,4层,3层,2层,0层,1层,系统调用（OS API）,宿住系统,中断处理 短程调度,原语管理 交通控制,内存管理 设备管理,虚拟存储 文件管理,进程(线程)管理 高级通讯,SPOOLing系统 作业调度 终端命令,5. 面向对象设计方法 面向对象作为一般的软件设计方法，同样适合操作系统的设计采用面向对象方法开发的操作系统称为面向对象操作系统利用面向对象设计方法中的封装(encapsulation)、继承(inheritance)和多态(polymorphism)，可以更有效地实施系统保护，降低操作系统的设计难度和开发成本，并提高系统的可维
9、护性. 操作系统中可以作为对象描述的成分包括：进程、线程、消息、文件、设备、存储区、缓冲区、信号量、过程等,11.5 系统举例Windows2000,基本组成 (1) 硬件抽象层(HAL)：体现硬件无关性可加载的核心模块HAL.dll，掩盖了与硬件有关部门的细节，例如I/O接口、中断控制等 (2) 核心(kernel)：由操作系统中最常用、最基础的构件组成其中包括调度、上下文切换、中断处理、异步过程调用(APC)、延迟过程调用(DPC)、多处理机同步等内核常住内存 (3) 执行体(Executive)：是Windows2000操作系统的主体，包括进程管理器、虚拟内存管理器、安全引用管理器、I/
10、O管理器、本地过程调用等其中I/O管理包含了所有与外部打交道的成分，如文件、网络等.,Windows2000/XP设计特点,基于服务 由NT发展而来 C/S模型，RPC，LPC，DPC 关于微内核 最初：NT微内核 目前：不是纯微内核结构 文件、虚拟存储等已被放入核心 关于面向对象 执行体采用O2设计原则 大部分代码非O2语言编写 数据对用户模式访问是公开的或数据访问是共享的或受限制时才使用对象,OS/2应用,Win32应用,OS/2子系统,系统级线程,Win32子系统,POSIX子系统,POSIX应用,系统服务,执行体,用户态,系统态,对象 管理器,安全 访问控制,进程 管理器,虚拟存 储管
11、理器,本地 过程调用,核心,HAL,文件系统,缓存管理,设备驱动,网络管理,I/O管理器,硬件,Windwso2000/XP体系结构,什么是POSIX？ POSIX 是一种由IEEE 制定的信息技术标准，自90 年代开始初，这个标准就已经为程序员们提供了一个固定的 框架，这个系统使用起来有点像UNIX，按照POSIX严格定义。 因此使用这种标准化操作系统有很多好处： * 详细定义和标准化的系统服务，使用户能投入更多的 精力在应用上； * 符合POSIX标准的软件 能够保证软件和硬件之间的衔接； * 标准OS 接口提高了开发人员的工作效率； * 许多有效的应用接口能够让程序员工作在一个舒适友好
12、的开发环境里；,对象头部属性,对象体,对象名（Object name） 对象目录（directory in which object live） 安全描述字（access security descriptor） 配额使用价格（resource quota charges） 打开把柄记数（open handle counter） 打开把柄数据库（open handle database） 永久/临时（permanenttemporary） 核心/用户模式（kernel/user mode） 访问记数（reference counts） 对象类型指针（type object pointer）,对象体（Object body）,Windows2000/XP对象,
