操作系统的结构设计PPT教学课件
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P38, 图1.10
微内核的实现思想：
➢ 操作系统分为两部分，一是运行在核心态的内核，它 提供系统的基本功能；二是运行在用户态并以客户－ 服务器方式运行的进程层。
➢ 操作系统内核之外的其他部分由相对独立的若干进程 来实现，每一个进程完成一组服务，故称服务器进程。
➢ 服务器进程和用户进程都运行在进程层
二、整体式结构的操作系统 (2)
2.主要优点和缺点 主要优点：结构紧密、组合方便，对不同环境和用户的不同需 求，可以组合不同模块来满足，灵活性大；针对某个功能可用 最有效的算法和任意调用其他模块中的过程来实现，系统效率 较高；设计及编码可齐头并进，加快操作系统研制过程。 主要缺点：模块独立性差，模块之间牵连甚多，形成复杂的调 用关系，甚至循环调用，造成系统结构不清晰，正确性难保证， 系统功能的增、删、改十分困难。
Linux是单内核操作系统，Mach是微内核操作系统。
① 单内核：内核的内部可以化分为层次或者模块，单运行的 时候是一个大二进制映象，模块之间的交互是通过直接调 用其他模块中的函数来实现。
② Unix/Linux是单内核操作系统，操作系统的整体式结构 又叫模块组合法，是基于结构化程序设计的一种软件结构 设计方法。早期操作系统(如IBM操作系统)采用这种结构设 计方法。
1.4 操作系统结构和运行模型
主要内容：
操作系统的构件和结构 整体式结构的操作系统 层次式结构的操作系统
操作系统的运行模型 Windows 2003的客户/服务器结构
操作系统的结构设计概述(1)
1.操作系统结构设计概况 操作系统设计呈现出以下特征：
一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 例如，CTSS约有32000行程序；IBM OS/360超过百万条 机器指令，共有4000个模块组成，花费5000人年；Multics 达 到千万条机器指令；Windows 2000 超过3200万行语句，有 2500个主要开发人员参与开发。 一个操作系统即使开发完成，仍然是无生命的，必须开 发该系统下运行的大量的应用程序；待应用程序开发问世后， 用户还必须通过文件、培训及实践去学会操作和使用。这意 味着用户拥有并使用的是10年或20年前的操作系统技术。而 计算机硬件却在不断地更新换代，刚刚开发完成的操作系统 又需要升级。
③ 单内核操作系统有两种基本结构：整体式结构和层次式结 构。
二、整体式结构的操作系统 (1)
（a）整体式结构
操作系统的整体式结构又叫模块组合法，是基于结构化程序设 计的一种软件结构设计方法。早期操作系统(如IBM操作系统) 采用这种结构设计方法。
1.主要设计思想和步骤
把模块作为操作系统的基本单位，按照功能需要而不是根据程 序和数据的特性把整个系统分解为若干模块（还可再分成子模 块），每个模块具有一定独立功能，若干个关联模块协作完成 某个功能。明确各个模块之间的接口关系，各个模块间可以不 加控制，自由调用；然后，分别设计、编码、调试各个模块。 最后，把所有模块连结成一个完整的系统。
➢整体问题局部化，整个系统中的接口比较少； ➢系统的正确性可通过各层正确性来保证； ➢增加、修改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的 维护和扩充。 •层次结构的缺点：层次结构是分层单向依赖的，必须要建立 模块（进程）间的通信机制，系统花费在通信上的开销较大， 系统的效率也就会降低。
2 微内核
操作系统仅将所有应用必需的核心功能放入内核，其他功 能都在内核之外，由处在用户态运行的服务进程实现，通 过微内核提供的消息处理机制完成进程之间的通信。
Linux仍然使用整体式结构。
（b）层次式结构
•层次式结构是把操作系统划分为内核和若干模块（或进程）， 这些模块（或进程）按功能的调用次序排列成若干层次，各层 之间只能是单向依赖或单向调用关系，即低层为高层服务，高 层可以调用低层的功能，反之则不能。这样不但系统结构清晰， 而且不构成循环调用。
层次结构的优缺点分析 •层次结构的优点：
操作系统的结构设计概述(2)
2.操作系统结构设计有三层含义 一是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成
操作系统程序的构造过程和方法； 二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控
制结构。 三是操作系统运行时的组织，如系统是组织成进程还是
线程，在系统空间还是用户空间运行等。
•采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。
➢ 用户进程和服务器进程之间采用消息传递机制进行通 信，形成客户——服务器关系。
微内核结构的优点：
➢ 对进程的请求提供一致性接口，不必区分内核级 服务和用户级服务，所有服务均借助消息传递机 制提供；
➢ 具有较好的可扩充性和易修改性，增加新服务或 者替换老功能只需要更换服务器（进程）；
➢ 可移植性好，与特定CPU有关的代码均在微内核 中，把系统移植到新平台所做的修改较小；
➢ 对分布式系统提供有力支撑。
微内核结构的缺点：
➢ 运行效率低，因为进程之间必须通过内核的通信 机制才能进行通信。
操作系统的一个基本问题是内核的功能和结构设 计，总体的趋势是：内核应当运行在具有特权的 核心态，常驻内存，尽可能地小，仅确保操作系 统正确、有效运转所必备的功能。
➢ 内核很小，可以被精心分析和设计成准确按意 图执行的软件，称为可信软件。
wenku.baidu.com
一、操作系统的构件
操作系统的构件-----通常把组成操作系统程序的基本单位称 作操作系统的构件。
操作系统的构件主要有：内核、进程、线程、类程、管程等。
1.内核
(1)概念
内核是一组程序模块，作为可信软件来支持进程并发执 行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核 心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的 能执行特权指令的程序。
(2)内核的分类 可分为微内核和单内核两种类型。 微内核：内核很小，仅具有极少的必须功能，其它 功能都在核外实现。通过微内核提供的消息传递机 制完成其余功能模块间的联系。内核和核外服务程 序的开发是分离的。
单内核：内核具有较多的功能，运行时是一个大的 二进制映像，模块间的联系通过函数或过程调用实现。
微内核的实现思想：
➢ 操作系统分为两部分，一是运行在核心态的内核，它 提供系统的基本功能；二是运行在用户态并以客户－ 服务器方式运行的进程层。
➢ 操作系统内核之外的其他部分由相对独立的若干进程 来实现，每一个进程完成一组服务，故称服务器进程。
➢ 服务器进程和用户进程都运行在进程层
二、整体式结构的操作系统 (2)
2.主要优点和缺点 主要优点：结构紧密、组合方便，对不同环境和用户的不同需 求，可以组合不同模块来满足，灵活性大；针对某个功能可用 最有效的算法和任意调用其他模块中的过程来实现，系统效率 较高；设计及编码可齐头并进，加快操作系统研制过程。 主要缺点：模块独立性差，模块之间牵连甚多，形成复杂的调 用关系，甚至循环调用，造成系统结构不清晰，正确性难保证， 系统功能的增、删、改十分困难。
Linux是单内核操作系统，Mach是微内核操作系统。
① 单内核：内核的内部可以化分为层次或者模块，单运行的 时候是一个大二进制映象，模块之间的交互是通过直接调 用其他模块中的函数来实现。
② Unix/Linux是单内核操作系统，操作系统的整体式结构 又叫模块组合法，是基于结构化程序设计的一种软件结构 设计方法。早期操作系统(如IBM操作系统)采用这种结构设 计方法。
1.4 操作系统结构和运行模型
主要内容：
操作系统的构件和结构 整体式结构的操作系统 层次式结构的操作系统
操作系统的运行模型 Windows 2003的客户/服务器结构
操作系统的结构设计概述(1)
1.操作系统结构设计概况 操作系统设计呈现出以下特征：
一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 例如，CTSS约有32000行程序；IBM OS/360超过百万条 机器指令，共有4000个模块组成，花费5000人年；Multics 达 到千万条机器指令；Windows 2000 超过3200万行语句，有 2500个主要开发人员参与开发。 一个操作系统即使开发完成，仍然是无生命的，必须开 发该系统下运行的大量的应用程序；待应用程序开发问世后， 用户还必须通过文件、培训及实践去学会操作和使用。这意 味着用户拥有并使用的是10年或20年前的操作系统技术。而 计算机硬件却在不断地更新换代，刚刚开发完成的操作系统 又需要升级。
③ 单内核操作系统有两种基本结构：整体式结构和层次式结 构。
二、整体式结构的操作系统 (1)
（a）整体式结构
操作系统的整体式结构又叫模块组合法，是基于结构化程序设 计的一种软件结构设计方法。早期操作系统(如IBM操作系统) 采用这种结构设计方法。
1.主要设计思想和步骤
把模块作为操作系统的基本单位，按照功能需要而不是根据程 序和数据的特性把整个系统分解为若干模块（还可再分成子模 块），每个模块具有一定独立功能，若干个关联模块协作完成 某个功能。明确各个模块之间的接口关系，各个模块间可以不 加控制，自由调用；然后，分别设计、编码、调试各个模块。 最后，把所有模块连结成一个完整的系统。
➢整体问题局部化，整个系统中的接口比较少； ➢系统的正确性可通过各层正确性来保证； ➢增加、修改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的 维护和扩充。 •层次结构的缺点：层次结构是分层单向依赖的，必须要建立 模块（进程）间的通信机制，系统花费在通信上的开销较大， 系统的效率也就会降低。
2 微内核
操作系统仅将所有应用必需的核心功能放入内核，其他功 能都在内核之外，由处在用户态运行的服务进程实现，通 过微内核提供的消息处理机制完成进程之间的通信。
Linux仍然使用整体式结构。
（b）层次式结构
•层次式结构是把操作系统划分为内核和若干模块（或进程）， 这些模块（或进程）按功能的调用次序排列成若干层次，各层 之间只能是单向依赖或单向调用关系，即低层为高层服务，高 层可以调用低层的功能，反之则不能。这样不但系统结构清晰， 而且不构成循环调用。
层次结构的优缺点分析 •层次结构的优点：
操作系统的结构设计概述(2)
2.操作系统结构设计有三层含义 一是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成
操作系统程序的构造过程和方法； 二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控
制结构。 三是操作系统运行时的组织，如系统是组织成进程还是
线程，在系统空间还是用户空间运行等。
•采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。
➢ 用户进程和服务器进程之间采用消息传递机制进行通 信，形成客户——服务器关系。
微内核结构的优点：
➢ 对进程的请求提供一致性接口，不必区分内核级 服务和用户级服务，所有服务均借助消息传递机 制提供；
➢ 具有较好的可扩充性和易修改性，增加新服务或 者替换老功能只需要更换服务器（进程）；
➢ 可移植性好，与特定CPU有关的代码均在微内核 中，把系统移植到新平台所做的修改较小；
➢ 对分布式系统提供有力支撑。
微内核结构的缺点：
➢ 运行效率低，因为进程之间必须通过内核的通信 机制才能进行通信。
操作系统的一个基本问题是内核的功能和结构设 计，总体的趋势是：内核应当运行在具有特权的 核心态，常驻内存，尽可能地小，仅确保操作系 统正确、有效运转所必备的功能。
➢ 内核很小，可以被精心分析和设计成准确按意 图执行的软件，称为可信软件。
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一、操作系统的构件
操作系统的构件-----通常把组成操作系统程序的基本单位称 作操作系统的构件。
操作系统的构件主要有：内核、进程、线程、类程、管程等。
1.内核
(1)概念
内核是一组程序模块，作为可信软件来支持进程并发执 行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核 心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的 能执行特权指令的程序。
(2)内核的分类 可分为微内核和单内核两种类型。 微内核：内核很小，仅具有极少的必须功能，其它 功能都在核外实现。通过微内核提供的消息传递机 制完成其余功能模块间的联系。内核和核外服务程 序的开发是分离的。
单内核：内核具有较多的功能，运行时是一个大的 二进制映像，模块间的联系通过函数或过程调用实现。