11第十一章 操作系统设计1

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（非系统调用）原语管理处理机调度中断处理原语管理处理机调度11.3 操作系统体系结构操作系统组成成分主动成分：进程，线程被动成分：模块，对象操作系统体系结构基于共享变量的体系结构基

2、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共享变量被动被动被动被动主动主动.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主动主动主动主动.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

3、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 基本内存管理 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 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nM1M2M4M9M6M7M8M5M3优点：高效缺点：正确性难于保障基本内核硬件扩充1扩充2OS1OS2特点：适应性好Eg. RC4000 P.B.Hansen2. 核扩充法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: THEM1M

4、2M4M9M6M7M8M5M3层次化设计的实现1. 确定设计目标(An)2. 确定宿主系统(A0)3. 层次设计 (1) 自底向上(bottom-up) (3) 混合策略 A0,A1,A2,An-1,An A0,A1,A2,An-1,An 优点：易于调试 缺点：可能偏离设计目标 (2) 自顶向下(top-down) An,An-1,An-2,A2,A1,A0 优点：无偏差 缺点：调试困难(仿真) 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

5、原语管理内存管理 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 终端命令处理机调度5. 面向对象设计方法Building Operating systems with objects + threadsBenefits:(1) Better organization/structure of inherent complexity inheritance, containment,.(2) Reduced development effort through reuse(3) More extensible and maintainable syst

6、emExample systems:Windows2000/XP11.5 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/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

7、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 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（perma