操作系统第8章.ppt

1、第8章 操作系统设计,8.1 操作系统设计目标 8.2 操作系统的结构设计,8.1 操作系统设计目标,1、可靠性 正确性 困难：并发性、共享性、随机性（中断） 健壮性,2、高效性,多道程序设计的目标是提高资源利用率，但系统开销加大 Tu：运行目态程序所用的时间 Tsu：运行管态程序为用户服务所用的时间 Tsm：运行管态程序做系统管理工作所用的时间 系统运行效率： =(Tu+Tsu)/(Tu+Tsu+Tsm),3、易维护,易读性 易扩充性 易修改性 易裁减性,4、易移植性 5、安全性 6、可适应性 7、简明性,8.2 操作系统的结构设计,设计一个操作系统主要包括： 功能设计 算法设计 结构设计,

2、结构设计,按照系统的功能和特性要求，选择合适的结构，使用相应的结构设计方法将系统逐步地分解、抽象和综合，使操作系统结构清晰、简单、可靠、易读、易修改，而且使用方便，适应性强,操作系统的结构,8.2.1 整体式结构 8.2.2 层次式结构 8.2.3 虚拟机结构 8.2.4 客户-服务器结构,8.2.1 整体式结构,首先确定操作系统的总体功能，然后将总功能分解为若干个子功能，实现每个子功能的程序称为模块。继续分解，直至每个模块仅包含单一功能为止。最后通过接口将所有模块连接起来形成一个整体。 也称单体式结构。,图1,模块3,模块2,模块7,模块1,模块6,模块5,模块8,模块4,图2,特点:,根据

3、功能划分模块 数据基本上作为全局量使用 在系统内部，不同模块的程序之间可以不加控制地互相调用和转移 信息的传递方式可以根据需要随意约定，因而造成模块间的循环调用,优点:,结构紧密 接口简单直接 模块之间转接的灵活性使系统效率高,缺点:,由于模块之间可以任意相互调用，形成网 络，各模块互相联系，独立性差，系统结 构不清晰 数据作为全局量处理，系统内各模块均可 对其进行存取和修改，造成模块间更为隐 蔽的关系。使得难于对软件结构作出综合 性的理解，难于修改，可靠性、易读性、 适应性难以保证。 由于模块接口法常以大型表格为中心，为 保证数据完整性，往往采用全局封中断的 方法，从而限制了系统的并发性,结

4、论：可适应性较差，适用于规模较小、使用环境比较稳定却要求效率较高的系统,10.2.2 层次式结构,按此模型构造的第一个操作系统是E.W.Dijkstra和他的学生在荷兰开发的THE系统（1968年）,分层,该系统分为六层： 层次 功能 5 操作员 4用户程序 3 输入/输出管理 2 操作员-进程通信 1内存和磁盘管理 0 处理器分配和多道程序,10.2.3 虚拟机结构,OS/360的最早版本是纯批处理系统，然而许多用户希望使用分时系统。IBM决定开发一个分时系统，花费5千万美元研制了TSS/360，但它非常庞大，运行缓慢，几乎没有人用它，该系统最后被弃之不用。 IBM的一个研究中心开发了另一个

5、完全不同的系统，最初命名为CP/CMS，后来改名为VM/370。如图：,系统调用,陷入,陷入,I/O指令,CMS,CMS,CMS,370虚拟机,VM/370,370裸机,说明,系统核心被称为虚拟机监控程序。它提供若干台虚拟机，这些虚拟机不是那种有文件系统等优良特征的扩展计算机。与之相反，它们仅仅是精确复制裸机硬件。 每台虚拟机都与裸机相同，所以每台虚拟机可以运行一台裸机能运行的任何类型的操作系统。不同的虚拟机可以运行不同的操作系统。 实际上在VM/370提供的虚拟机上，一些运行OS/360的后续版本，另一些运行CMS系统（一种单用户交互式系统）,实例1,虚拟机思想的应用：在奔腾CPU上运行老的

6、MS-DOS程序 Intel在奔腾芯片上提供了一个虚拟8086模式，在此模式下，奔腾机就像一台8086计算机一样，包括1M字节内的16位寻址方式 虚拟8086模式被Windows、OS/2及其他操作系统用于运行MS-DOS程序。,实例2,IBM390与Linux： Linux在S/390下有三种实现模式： 本地运行模式：即独立运行模式，Linux可以不依赖S/390的任何操作系统完整地运行 逻辑分区运行模式：Linux在S/390的硬件逻辑分区内运行，S/390最大支持15个独立的逻辑分区 VM/ESA模式：Linux运行在一个虚拟机上，VM提供虚拟的CPU、I/O子系统和内存资源,10.2.

7、 4 客户-服务器结构,微内核 VM/370把大部分传统操作系统的代码分离放在更高层次上，即CMS上，系统由此得到简化。但是VM/370本身仍然非常复杂，因为要模拟虚拟的许多370硬件不是一件简单的工作（尤其是还想取得高效率时更困难） 现代操作系统的一个趋势，将传统操作系统的大部分代码分离出来放在更高的层次上。即从操作系统中去掉尽可能多的东西，而只留一个最小的核心,通常的实现方法是将大多数操作系统功能由用户进程来实现 核心的全部工作是处理客户与服务器间的通信。操作系统被分割成许多部分，每一部分只处理一方面的功能，如文件服务、进程服务、终端服务或存储器服务。如图 微内核操作系统可以提供多种OS运

8、行环境。,客户 进程,客户 进程,进程 服务器,终端 服务器,文件 服务器,内存 服务器,核心,客户向服务器进程发送 消息，以获得服务,客户服务器模型,用户态,核心态,微内核结构的设计目标,为构造其他操作系统提供基础 能透明地使用网络资源 在系统一级和应用一级均可拓展并行性 高度的可移植性,实现途径,把传统意义上属于操作系统的代码由低层移向高层，由核心移向用户，要增加新功能非常容易 消息传送机制,特点,每一部分变得很小，更易于管理。而且，由于所有服务器以用户进程的形式运行，而不是运行在核心态，所以它们不直接访问硬件。这样处理的结果是：假如在文件服务器中发生错误，文件服务器可能崩溃，但不会导致整个系统的崩溃,优点,易于扩充，易于移植 提高系统的可靠性 提供多种操作系统环境 适宜于分布计算模式 有助于多处理器系统的实现,客户一服务器模型的另一个优点是它适用于分布式系统，如果一个客户通过消息传递与服务器通信，客户无需知道这条消息是在本机处理还是通过网络送给远程机器上的服务器。,缺点： 消息传递方式增加开销，使响应变慢 几个商品化系统： NextStep XINU,OSF/1 1.3, Workspace OS,Chorus/Mix V.4 Mac G3,Windows NT,QNX,CTOS,应用程序,微内核操作系统,DOS服务器,UNIX服