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1、第十一章第十一章 操作系统设计操作系统设计n操作系统设计目标操作系统设计目标n操作系统基本内核操作系统基本内核n操作系统体系结构操作系统体系结构n基于公共变量的结构基于公共变量的结构n基于消息传递的结构基于消息传递的结构n微内核结构微内核结构n操作系统设计方法操作系统设计方法n模块接口法模块接口法n核扩充法核扩充法n层次化方法层次化方法n面向对象方法面向对象方法11.1 操作系统设计目标操作系统设计目标n正确性正确性n高效性高效性n系统效率系统效率nTu:执行用户程序所占时间执行用户程序所占时间nTsu:执行操作系统程序为用户服务所占时间执行操作系统程序为用户服务所占时间nTsm:执行操作系统
2、程序做系统管理所占时间执行操作系统程序做系统管理所占时间n可维护性可维护性n易读，易修改，易裁减，易扩充易读，易修改，易裁减，易扩充n可移植性可移植性smsuusuuTTTTT11.2 操作系统基本内核操作系统基本内核n内核成分内核成分n中断处理（非系统调用）中断处理（非系统调用）n原语管理原语管理n处理机调度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体系结构n操作系统组成成分操作系统组成成分n主动成分：进程，线程主动成分：进程，线程n被动成分：模块，对象被动成分：模块，对象n操作系统体系结构操作系统体系结构n基于共享变量的体系结构基于共享变量的体系结构n基于消息通
3、讯的体系结构基于消息通讯的体系结构n微内核结构微内核结构成分间的关系成分间的关系主动主动主动主动消消息息主动主动主动主动公共变量公共变量1.主动主动-主动主动2.主动主动-被动被动主动主动主动主动被动被动主动主动被动被动被动被动成分间的关系成分间的关系被动被动-被动被动被动被动主动主动主动主动主动主动被动被动被动被动被动被动被动被动11.3.1 基于共享变量的体系结构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：效率高优点：效率高缺点：不适合分布缺点：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：适合分布优点：适合分布缺点：效率不高缺
4、点：效率不高文文件件系系统统设设备备驱驱动动虚虚拟拟存存储储进进程程控控制制应应用用程程序序应应用用程程序序 微内核微内核(Micro-kernel)硬件硬件微内核微内核(micro-kernel)是体积很小的内核，只包括操作是体积很小的内核，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以进程或线程模式在目态执行.l处理机调度处理机调度 l基本中断处理程序基本中断处理程序 l同步机制同步机制 l基本内存管理基本内存管理 l进程通讯原语进程通讯原语 l电源管理电源管理 l优点优点体积小，正确性健壮性容易保障体积小
5、，正确性健壮性容易保障 适应性好，灵活性强，应用面广适应性好，灵活性强，应用面广 l缺点缺点 实现效率低实现效率低 11.4 操作系统设计方法操作系统设计方法1.模块接口法模块接口法 功能功能1：模块：模块1 功能功能2：模块：模块2 .功能功能n：模块：模块nM1M2M4M9M6M7M8M5M3优点：高效优点：高效缺点：正确性难于保障缺点：正确性难于保障基本内核硬件扩充1扩充2OS1OS2特点：适应性好特点：适应性好Eg.RC4000 P.B.Hansen2.核扩充法核扩充法3.层次化方法层次化方法 E.W.Dijkstra 分若干层分若干层 层间单向依赖层间单向依赖(全序，半序全序，半序)
6、Example system:THEM1M2M4M9M6M7M8M5M3层次化设计的实现层次化设计的实现1.确定设计目标确定设计目标(An)2.确定宿主系统确定宿主系统(A0)3.层次设计层次设计 (1)自底向上自底向上(bottom-up)(3)混合策略混合策略 A0,A1,A2,An-1,An A0,A1,A2,An-1,An 优点：易于调试优点：易于调试 缺点：可能偏离设计目标缺点：可能偏离设计目标 (2)自顶向下自顶向下(top-down)An,An-1,An-2,A2,A1,A0 优点：无偏差优点：无偏差 缺点：调试困难缺点：调试困难(仿真仿真)4.分层原则分层原则 (1)与界面有关
7、的放在高层与界面有关的放在高层 (2)与硬件有关的放在低层与硬件有关的放在低层 (3)并发控制放较低层并发控制放较低层 (4)其它放在中层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（OSAPI）宿住系统中断处理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.面向对象设计方法面向对象设计方法Building Operating systems with objects+threadsBenefits:(1)Better organization/structure of inherent complexity inh
8、eritance,containment,.(2)Reduced development effort through reuse(3)More extensible and maintainable systemExample systems:Windows2000/XP11.5 系统举例Windows2000n基本组成基本组成n(1)硬件抽象层硬件抽象层(HAL)：体现硬件无关性可加载：体现硬件无关性可加载的核心模块的核心模块HAL.dll，掩盖了与硬件有关的细节，掩盖了与硬件有关的细节，例如例如I/O接口、中断控制等接口、中断控制等n(2)核心核心(kernel)：由操作系统中最常用、最
9、基础：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、异步过程调用理、异步过程调用(APC)、延迟过程调用、延迟过程调用(DPC)、多处理机同步等内核常住内存多处理机同步等内核常住内存n(3)执行体执行体(Executive)：是：是Windows2000操作操作系统的主体，包括进程管理器、虚拟内存管理器、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、安全引用管理器、I/O管理器、本地过程调用管理器、本地过程调用等其中等其中I/O管理包含了所有与外部打交道的成分，管理包含了所有与外部打交道的成分，如文件、网络等如文
10、件、网络等.l基于服务基于服务由由NT发展而来发展而来lC/S模型，模型，RPC，LPC，DPCl关于微内核关于微内核最初：最初：NT微内核微内核目前：不是纯微内核结构目前：不是纯微内核结构l文件、虚拟存储等已被放入核心文件、虚拟存储等已被放入核心l关于面向对象关于面向对象执行体采用执行体采用O2设计原则设计原则大部分代码非大部分代码非O2语言编写语言编写l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制时才使用对象 OS/2应用应用 Win32应用应用 OS/2子系统子系统 系统级线程系统级线程 Win32子系统子系统 PO
11、SIX子系统子系统 POSIX应用应用 系统服务执行体用户态用户态系统态系统态对象对象管理器管理器 安全安全访问控制访问控制 进程进程管理器管理器 虚拟存虚拟存储管理器储管理器 本地本地过程调用过程调用 核心HAL 文件系统文件系统缓存管理缓存管理设备驱动设备驱动网络管理网络管理I/O管理器硬件 Windwso2000/XP体系结构体系结构 对象头部属性对象体 对象名（Objectname）对象目录（directoryinwhichobjectlive）安全描述字（accesssecuritydescriptor）配额使用价格（resourcequotacharges）打开把柄记数（openhandlecounter）打开把柄数据库（openhandledatabase）永久/临时（permanenttemporary）核心/用户模式（kernel/usermode）访问记数（referencecounts）对象类型指针（typeobjectpointer）对象体（Object body）Windows2000/XP对象