操作系统结构ppt课件

1、第2章 操作系统构造n如何设计操作系统n调查所提供的效力n调查为用户和程序员提供的接口n研讨系统的各个组成部分及其相互关系操作系统效力操作系统效力n操作系统担任提供一个环境以执行程序，向程序和运用程序的用户提供一定的效力。n效力包含许多有用的函数操作系统效力操作系统效力n用户界面n命令行界面n批界面n图形用户界面操作系统效力操作系统效力n程序执行程序执行 系统能将程序装入内存并运转，系统能将程序装入内存并运转，终了包括正常或不正常终了终了包括正常或不正常终了nI/O 操作操作 用户通常不能直接控制用户通常不能直接控制I/O 设备，设备，操作系统必需提供进展操作系统必需提供进展I/O 操作的方法

2、。操作的方法。n文件系统操作文件系统操作 程序需求读、写、创建、删程序需求读、写、创建、删除文件除文件操作系统效力操作系统效力n通讯通讯 进程间交换信息一种发生在同一台计算进程间交换信息一种发生在同一台计算机上运转的两个进程之间，另一种发生在由计机上运转的两个进程之间，另一种发生在由计算机网络衔接起来的不同计算机上的进程之间。算机网络衔接起来的不同计算机上的进程之间。通讯经过共享内存或音讯传送来实现通讯经过共享内存或音讯传送来实现n错误检测错误检测 错误能够发生在错误能够发生在CPU和内存中、和内存中、 I/O 设备中、用户程序中，对于每种错误，操作系设备中、用户程序中，对于每种错误，操作系统

3、应采取适当行动，以确保正确和一致的计算统应采取适当行动，以确保正确和一致的计算n资源分配资源分配 当多个用户登录到系统上或多个当多个用户登录到系统上或多个作业同时执行时，系统必需为每个进程分配作业同时执行时，系统必需为每个进程分配资源资源n统计统计 跟踪记录哪些用户运用了多少和什么跟踪记录哪些用户运用了多少和什么类型的计算机资源。这种记录用于记帐或建类型的计算机资源。这种记录用于记帐或建立运用统计数据立运用统计数据n维护维护 确保一切对系统资源的访问都是受控确保一切对系统资源的访问都是受控制的，特别是在多用户计算机系统中制的，特别是在多用户计算机系统中操作系统效力操作系统效力操作系统的用户界面

4、n用户与操作系统的界面n命令行界面n图形用户界面命令解释程序命令解释程序n在 MS-DOS中称为命令行解释程序nUNIX中称为外壳shell (cf. kernel)n作用：获取并执行用户指定的下一条命令。n文件的创建、删除、列出、打印、复制、执行命令解释程序命令解释程序n执行命令的方法：n命令解释程序本身包含代码n命令的数量决议了命令解释程序的大小n由系统程序实现命令nrm file.txtn搜索名为rm的文件，将文件装入内存，并用参数file.txt来执行。图形用户界面nGUI提供基于鼠标的窗口和菜单系统作为接口系统调用系统调用n系统调用 提供了进程与操作系统之间的接口n调用通常以汇编言语

5、指令的方式提供n有些言语 (e.g. C, C+)曾经取代了汇编言语而直接用于系统编程，允许直接调用系统调用，这时系统调用通常类似预定义的函数或子程序调用nWin32 application programming interface (API) for Microsoft Windows例：从一个文件读取数据并复制到另一个文件例：从一个文件读取数据并复制到另一个文件系统调用n普通根据运用程序接口(API)设计程序nAPI是一系列适用于程序员的函数，含参数及前往值nwin32 APInPOSIX APInJava API处置一个调用open( )系统调用的用户运用程序系统调用系统调用n运转程序

6、向操作系统传送参数通常用三种方法运转程序向操作系统传送参数通常用三种方法n经过存放器来传送参数经过存放器来传送参数n将参数存放在内存的块或表中，并将块的地址将参数存放在内存的块或表中，并将块的地址作为参数传送给存放器作为参数传送给存放器n参数也可放在或压到堆栈中，并经过操作系统参数也可放在或压到堆栈中，并经过操作系统弹出堆栈。弹出堆栈。参数作为表传送系统调用类型n进程控制进程控制n包括分配释放内存包括分配释放内存n文件管理文件管理n设备管理设备管理n信息维护信息维护n通讯通讯进程控制进程控制n正常中断正常中断 (退出退出)n非正常中断非正常中断 (终止终止)n创建进程创建进程 (fork, e

7、xec),终止进程终止进程n等待时间，事件，信号等待时间，事件，信号, etc. n分配释放内存分配释放内存 (malloc, free)文件管理文件管理n创建，删除文件创建，删除文件n翻开翻开, 封锁封锁n读，写，重定位读，写，重定位n获取，设置文件属性获取，设置文件属性设备管理设备管理n恳求，释放设备恳求，释放设备n读，写，重定位读，写，重定位n获取，设置设备属性获取，设置设备属性信息维护信息维护n获取，设置时间或日期获取，设置时间或日期n获取，设置系统数据获取，设置系统数据nCPU 等级等级, 内存大小内存大小, 空闲内存空闲内存n用户数，操作系统版本，当前用户数用户数，操作系统版本，当

8、前用户数n获取，设置目的属性获取，设置目的属性n进程进程n文件文件n设备设备通讯通讯n两种通讯模型：两种通讯模型： 音讯传送音讯传送 or 共享内存共享内存系统程序系统程序n系统程序系统程序 提供一个方便的环境，以开发和提供一个方便的环境，以开发和执行程序执行程序 (cf. Fig 1.1)n硬件硬件n操作系统操作系统n系统程序系统程序n运用程序运用程序n绝大多数用户所看到的操作系统是由系统绝大多数用户所看到的操作系统是由系统程序而不是实践系统调用定义的程序而不是实践系统调用定义的. 系统程序系统程序n系统程序可分为系统程序可分为:n文件管理文件管理n形状信息形状信息n文件修正文件修正 (e.

9、g. text editors)n程序文语支持程序文语支持n编译器编译器, 汇编器汇编器, 链接程序，解释程序，调试程序链接程序，解释程序，调试程序n程序装入和执行程序装入和执行n绝对加载程序、重定位加载程序、链接编辑器绝对加载程序、重定位加载程序、链接编辑器n通讯通讯n邮件，阅读器邮件，阅读器, etc. 操作系统设计和实现操作系统设计和实现n设计目的设计目的n机制和战略机制和战略n实现实现设计目的设计目的n系统设计遭到硬件选择和系统类型的影响系统设计遭到硬件选择和系统类型的影响n用户目的用户目的 容易运用、容易学习、可靠、容易运用、容易学习、可靠、平安、快速平安、快速n系统目的系统目的 容

10、易设计、实现和维护、灵敏、容易设计、实现和维护、灵敏、可靠、没有错误且高效可靠、没有错误且高效n不同的要求能构成对不同环境的不同处理不同的要求能构成对不同环境的不同处理方案方案机制和战略机制和战略n机制决议了如何来做机制决议了如何来做n战略决议做什么战略决议做什么实现实现n操作系统的传统实现方式是用汇编言语编写，操作系统的传统实现方式是用汇编言语编写，如今大多运用高级言语如如今大多运用高级言语如C或者或者C+n运用高级言语的优点运用高级言语的优点:n代码编写更快代码编写更快n更为紧凑更为紧凑n更容易了解和调试更容易了解和调试n更容易从一个硬件移植到另一个硬件上更容易从一个硬件移植到另一个硬件上

11、n反对观念以为：采用高级言语实现的操作系统降低了反对观念以为：采用高级言语实现的操作系统降低了速度、添加了存储要求。速度、添加了存储要求。n然而：然而：n现代编译器能对大型程序进展复杂的分析并采用高级现代编译器能对大型程序进展复杂的分析并采用高级优化技术以生成优化代码优化技术以生成优化代码n操作系统的重要性能改善很能够是由于更好的数据构操作系统的重要性能改善很能够是由于更好的数据构造和算法，而不是由于优秀的汇编言语代码。造和算法，而不是由于优秀的汇编言语代码。n在系统编写完成并能正常任务之后，可以找出瓶颈子在系统编写完成并能正常任务之后，可以找出瓶颈子程序，并用相应的汇编言语子程序替代。程序，

12、并用相应的汇编言语子程序替代。操作系统构造操作系统构造n现代操作系统庞大而复杂，必需求设计一个现代操作系统庞大而复杂，必需求设计一个 好的构造好的构造 以便能正常任务并能容易修正以便能正常任务并能容易修正n通常是将这一义务分成小模块而不只是一个单通常是将这一义务分成小模块而不只是一个单块系统块系统简单构造简单构造nMS-DOS 利用最小的空间提供最多的功利用最小的空间提供最多的功能能n内存大小从内存大小从256到到 640KB, OS 占用占用 48 到到 128 KBn以较小、简单且功能有限的系统方式启动以较小、简单且功能有限的系统方式启动n没有被划分成模块没有被划分成模块MS-DOS 层次

13、构造层次构造UNIX 系统构造系统构造nUNIX 最初受硬件功能的限制最初受硬件功能的限制n由两个独立部分组成由两个独立部分组成:n系统程序系统程序n内核内核n包括物理硬件之上和系统调用接口之下的一包括物理硬件之上和系统调用接口之下的一切部分切部分n提供文件系统、提供文件系统、CPU调度、内存管理和其它调度、内存管理和其它操作系统功能操作系统功能n大多数的功能都结合放在这一层大多数的功能都结合放在这一层UNIX 系统构造系统构造分层方法分层方法n操作系统分成假设干层，每层建立在较低操作系统分成假设干层，每层建立在较低层之上。层之上。n最底层最底层 (层层 0) 是硬件是硬件; 最高层最高层 (

14、层层 N) 是用户是用户接口接口n选择了分层后，每层只能利用较低层的功选择了分层后，每层只能利用较低层的功能或操作和效力能或操作和效力n简化了调试和系统验证，设计与实现简化了调试和系统验证，设计与实现n不用知道如何实现这些操作，只需知道这不用知道如何实现这些操作，只需知道这些操作做什么些操作做什么n与其它方法相比，分层法效率较差与其它方法相比，分层法效率较差n每层为系统调用添加了额外开销每层为系统调用添加了额外开销 (参数或数参数或数据的修正与传送据的修正与传送)微内核微内核n随着随着UNIX操作系统的扩展，操作系统的扩展， 内核变得更大内核变得更大且更难管理且更难管理n将一切非根本部分从内核

15、中移到将一切非根本部分从内核中移到 用户空间用户空间n哪些效力保管在内核内哪些效力保管在内核内?n最小的进程和内存管理最小的进程和内存管理n通讯功能通讯功能n通讯以音讯传送方式提供通讯以音讯传送方式提供微内核微内核n优点优点:n便于扩展便于扩展n方便操作系统从一种硬件平台设计移植到方便操作系统从一种硬件平台设计移植到另一种硬件平台设计另一种硬件平台设计n更好的可靠性更好的可靠性 (内核运转更少的代码内核运转更少的代码)n更好的平安性更好的平安性n例例:nMach (mid-1980s, CMU)nTru64 UNIX (formerly Digital UNIX)nApple MacOS X

16、ServernQNX (real-time OS)nWindows NT (hybrid structure)模块n用面向对象编程技术来生成模块化的内核n内核有一组中心部件，以及在启动或运转时对附加效力的动态链接。可加载的Solaris模块虚拟机虚拟机n虚拟机虚拟机 : 运用程序将它们的一切下层当成硬运用程序将它们的一切下层当成硬件的一部分而看作一个层次整体件的一部分而看作一个层次整体n操作系统创建一种幻觉，以致于进程以为有操作系统创建一种幻觉，以致于进程以为有本人的处置器和本人的本人的处置器和本人的(虚拟虚拟)内存内存虚拟机虚拟机n物理计算机共享资源以创建虚拟机物理计算机共享资源以创建虚拟机

17、nCPU 调度能共享出调度能共享出CPU以呵斥一种每个用户以呵斥一种每个用户都有本人的处置器的觉得都有本人的处置器的觉得n假脱机假脱机spooling 和文件系统能提供虚拟和文件系统能提供虚拟读卡机和虚拟行式打印机读卡机和虚拟行式打印机n一个普通的用户分时终端提供虚拟机操作员终一个普通的用户分时终端提供虚拟机操作员终端的功能端的功能虚拟机优缺陷虚拟机优缺陷n每个虚拟机完全与其他虚拟机相隔离，由于各种每个虚拟机完全与其他虚拟机相隔离，由于各种系统资源完全被维护，就不存在平安问题系统资源完全被维护，就不存在平安问题. n没有直接资源共享没有直接资源共享n虚拟机系统是用于研讨和开发操作系统的很好工虚

18、拟机系统是用于研讨和开发操作系统的很好工具，虚拟机允许进展系统开发而不用中断正常的具，虚拟机允许进展系统开发而不用中断正常的系统操作系统操作n虚拟机实现困难，由于需提供与底层机器完全一虚拟机实现困难，由于需提供与底层机器完全一样的拷贝需求大量的任务样的拷贝需求大量的任务.虚拟机虚拟机nJava 虚拟机虚拟机nVMware 虚拟机虚拟机系统生成系统生成n操作系统通常设计成能运转在某类计算机上，对于某个特定的计算机场所，必需求配置和生成系统，这一过程称为系统生成system generation，SYSGEN。nSYSGEN程序采用自动或者交互方式获得有关硬件系统的特定配置信息，包括：nCPU类型？安装什么选项 (扩展指令集、浮点运算操作等)n内存大小n设备，包括设备号码、设备中断号、设备类型和模型、以及任何特别的设备特点n操作系统选项和参数值 (缓冲区大小、CPU调度算法、支持的进程最大数量等系统生成系统生成n系统生成的三种方式：系统生成的三种方式：n修正源代码并编译修正源代码并编译n用系统描画创建表，并从预先编译过的库用系