操作系统的结构设计
操作系统的设计与实现
操作系统的设计与实现操作系统是计算机硬件的核心，它可以控制整个计算机系统的工作，为用户提供方便和高效的计算机环境。
计算机操作系统不仅需要具有稳定可靠的性能，同时还需要满足安全、易用和灵活等需求。
本文将从操作系统的设计和实现两个方面来探讨计算机操作系统的原理和实践。
一、操作系统的设计1.1、操作系统的层次结构操作系统的层次结构是指在操作系统中采用了不同的层次来完成不同的职责。
操作系统的层次结构可以分为：硬件层、内核层、系统调用层、程序库层和应用层等。
硬件层是指物理层，主要是处理器、内存、硬盘等设备，操作系统需要对这些硬件资源进行管理和分配。
内核层是操作系统的核心，主要提供管理和分配硬件资源的功能，同时还负责处理硬件和软件之间的交互和通讯。
系统调用层是通过应用程序向内核层请求服务的界面，它包含了一系列的系统调用接口，应用程序可以利用这些接口来请求内核级别的服务。
程序库层是应用程序开发的基础，它包含了一些函数库和工具集，开发人员可以通过这些工具来更方便地开发应用程序。
应用层是最外层，包含了各种应用程序，例如浏览器、文本编辑器、游戏等，用户可以通过这些应用程序来完成功能。
1.2、操作系统的功能操作系统的主要功能包括：进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和安全管理。
进程管理：进程是指正在运行的程序，操作系统需要对进程进行管理和调度，使它们能够协调地运行。
进程管理包括进程创建、进程调度、进程通信、进程同步和进程撤销等。
内存管理：内存是计算机的重要组成部分，操作系统需要对内存进行管理和分配。
内存管理包括内存分配、内存回收、内存保护和虚拟内存管理等。
文件管理：文件是计算机系统中重要的数据存储和共享方式，操作系统需要提供文件管理功能。
文件管理包括文件的创建、删除、修改、复制和文件保护等。
设备管理：设备是计算机系统中的重要组成部分，操作系统需要对设备进行管理。
设备管理包括设备的驱动程序开发、设备的分配和设备的控制等。
操作系统结构设计
3.分层式结构OS
②自顶向下的分层 基本概念： 从顶层的目标系统An(总体功能模块)出发，向下通过若干层，最后过渡到宿 主系统A0。 为实现An，对An进行第一次细化，由此形成虚机器An-1； 由于An-1只是关于模块的描述，它无法在物理机器上运行，故需对An_1的功能 进一步细化，利用更多的子模块来实现An_1功能，由此形成虚机器An-2； An-2仍然只是有关子模块的描述而无法运行，需再对An-2进行细化，如此形成 An-3，An-4，...，直至产生能在物理机器上运行的程序，即虚机器A1。 自顶向下分层法的实质是，对目标系统的逐步求精。
14.1 操作系统设计概述
⑶结构设计的作用
为了实现OS的正确性、可维护性、可适应性、可移植性 等设计目标，必须经过功能设计、算法设计和结构设计三个 阶段。 ★结构设计具有独特的不可被替代的作用； ★模块化结构能较好地保证正确性； ★具有模块化结构的OS，有助于提高系统的“可适应性” 和“可移植性”； ★分层式结构比模块化结构能更好的保证操作系统设计 目标的实现； ★微内核OS结构，又比分层式结构能更好，也更容易地 保证操作系统设计目标的实现；
3.分层式结构OS
④分层结构的优缺点
★易保证系统的正确性。由于把一个大型操作系统，按照一定的原 则，分为若干个功能较为单一的模块，再进一步将这些模块，按一定的 规则，组织成层次结构，并使之具有单向依赖关系，这样就形成了上一 层功能是下一层功能的扩充或延伸，下一层功能为上一层功能提供了支 撑和基础，使整个系统中的接口少而清晰。采取自下而上的设计方式， 使所有设计中的决定都是有序的，或者说是建立在较为可靠基础上的， 这样，就比较容易保证整个系统的正确性。 ★易扩充和易维护性。在系统中增加、修改或替换一个层次中的模 块或整个层次，只要不改变相应层次间的接口，就不会影响其他层次， 这必将使系统维护和扩充变得更加容易。 ★系统效率降低。分层结构也存在某些问题，由于层次结构是分层 单向依赖的，必须在每层之间都要建立层次间的通信机制，特别是当系 统较大、所设层次较多时，OS每执行一个功能，通常要自上而下地穿越 多个层次，这无疑会增加系统的通信开销，从而导致系统效率的降低。
操作系统结构设计
美观性
用户界面应该美观，提供良好 的视觉效果。
灵活性
用户界面应该灵活，允许用户 自定义和调整。
用户界面的实现技术
事件驱动编程
通过事件来响应用户的操作 ，如鼠标点击、键盘输入等 。
图形库
使用图形库来创建图形用户 界面，如Qt、GTK等。
语音识别技术
使用语音识别技术来识别用 户的语音输入。
THANKS
文件的存储与访问
总结词
文件存储与访问的方式和机制
详细描述
文件系统提供了多种方式来存储和访问文件。文件可以按顺序或随机方式存储在磁盘、固态硬盘等存 储介质上。文件访问可以通过文件路径、文件名、标识符等方式进行。
文件的共享与安全
总结词
文件共享和安全控制的方法与策略
详细描述
文件系统提供了多种机制来控制文件的共享和安全。通过访问 控制列表（ACL）、用户权限等方式，可以控制不同用户对文 件的访问权限。同时，文件加密、数字签名等技术也可以用于 保护文件的安全。
操作系统结构设计
目录
Contents
• 引言 • 操作系统结构概述 • 进程管理 • 内存管理 • 文件系统 • 设备管理 • 用户界面设计
01
引言
操作系统的定义与重要性
定义
操作系统是计算机系统的核心软件， 负责管理和控制计算机硬件和应用程 序的执行。
重要性
操作系统是计算机系统的基础，提供 了一个稳定、高效、安全的环境，使 得计算机硬件和应用程序能够协调工 作。
结合段式和分页式内存管理，将内存分为多 个段，每个段内部再分页。
内存的交换与回收
交换
将不用的内存数据暂时移出内存，释放空间 给其他进程使用。
回收
9_2007_操作系统结构设计详解
2.核心处理流程
进入核心的唯一入口:中断 中断后进入核心，由硬件完成
3.内核的执行特点
由中断驱动的: 中断→内核→退出 内核执行是连续的 内核执行过程中在中断屏蔽状态下 内核使用特权指令
四、UNIX/Linux操作系统
传统的UNIX/Linux是单一内核模块结构
库程序 命令 应用程序 交互用户 … … 交互用户
可靠性及健壮性——系统能防止内部故障及外部侵扰 造成的损害，应用程序不应该损害操作系统及正在运 行的其他应用程序
兼容性——用户界面和API应与已有的Windows 版本 兼容
性能——系统应该在每一种硬件平台上尽可能快地响 应
可扩充性
操作系统配置 构建操作系统的方式
设计思想
融合了分层操作系统和微内核操作系统的设计 思想
层次管程结构（续6）
第二，虽然资源管理的局部化增加了模 块的独立性和系统的安全性，但对全局 性资源，或者同时涉及多个资源的管理 时就不方便了，这也是引起管程嵌套调 用的一个因素
层次管程结构（续7）
管程：记录、协调各进程对临界资源的使 用要求，供进程实现同步与互斥，并完 成对共享变量的修改
类程：指一个专用（独占）的数据结构， 以及在此数据结构上定义的所有操作
Windows 的核心态组件使用了面向对象设计原 则
出于可移植性以及效率因素的考虑，大部分代 码使用了基于C语言的对象实现
Windows 的很多系统服务运行在核心态，这使 得Windows 更加高效，而且也是相当稳定的
可移植性的获得
分层设计。依赖于处理器体系结构或平台的系统 底层部分被隔离在单独的模块之中，向并系统的 高层屏蔽千差万别的硬件平台。 两个关键组件：HAL和内核 依赖于体系结构的功能在内核中实现，在相同体 系结构中，因计算机而异的功能在HAL中实现
操作系统的软件架构与模块设计
操作系统的软件架构与模块设计操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它负责管理和控制计算机硬件资源，为用户和应用程序提供一个可靠、高效的运行环境。
操作系统的设计对于计算机系统的性能和功能具有重要影响。
一、软件架构软件架构是指一个软件系统的整体结构和组织方式。
在操作系统的设计中，软件架构需要考虑以下几个关键方面：1.1 内核内核是操作系统的核心部分，也是最基本的软件组件。
它提供了操作系统的核心功能，如进程管理、内存管理、文件系统等。
内核需要具备高性能、高可用性和可扩展性的特点，以应对复杂的计算机系统环境。
1.2 外围模块外围模块是指与内核相对独立的功能模块，如图形界面、网络通信、设备驱动等。
这些模块通过接口与内核进行交互，为用户提供了友好的用户界面和丰富的功能。
1.3 分层操作系统通常采用分层的架构，将不同的功能划分为不同的层次。
常见的分层结构包括硬件抽象层、内核层、服务层和用户层。
分层结构可以提高软件的可维护性和可扩展性，减少功能之间的耦合度。
二、模块设计模块是操作系统中的基本单位，它负责实现一个具体的功能或服务。
在模块设计时，需要考虑以下几个方面：2.1 模块接口模块接口定义了模块与外部的交互方式，包括输入输出参数和调用方式等。
良好的接口设计可以提高模块的重用性和可测试性。
2.2 模块功能模块功能是指模块所需要实现的具体功能或服务。
在设计模块功能时，需要考虑实现的效率、正确性、可靠性等因素。
2.3 模块间的依赖关系操作系统中的各个模块之间存在着依赖关系，一个模块的功能可能依赖于其他模块的支持。
在设计模块时，需要明确模块之间的依赖关系，并确保模块之间的交互合理有效。
2.4 模块的独立性模块的独立性是指模块能够独立地进行设计、实现和测试。
设计模块时，需要尽量将模块之间的依赖关系降低到最小，以提高模块的独立性和可维护性。
2.5 模块的可扩展性操作系统的功能需求往往会随着时间的推移而发生变化，因此模块设计时要考虑到系统的可扩展性。
操作系统的结构设计
一、操作系统的构件(14)
5.类程
类程用于管理私有资源，对类程的调用表示对私有资源 的操作。它仅能被进程及起源于同一进程的其它类程或 管程嵌套调用链所调用。其本身也可以调用其它类程或 管程。类程可以看作子程序概念的扩充。
采用进程、管程、类程实现的操作系统中，进程执行过 程中若请求使用共享资源，可以调用管程；若要控制私 有资源操作，可以调用类程，这样便于使用高级语言来 书写操作系统。
21
二、整体式结构的操作系统 (1)
操作系统的体系结构 操作系统的体系结构可分成：整体式结构、层次式结构、 虚拟机结构、客户/服务器与微内核结构。 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。
22
二、整体式结构的操作系统 (2)
1.4 操作系统的结构设计
主要内容：
一、操作系统的构件
二、整体式结构的操作系统
三、层次式结构的操作系统
四、虚拟机结构的操作系统
五、客户/服务器与微内核结构的操作系统
六、操作系统的运行模型
七、Windows 2000/ XP的客户/服务器结构
八、Ubuntu程序接口
1
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：
27
三、层次式结构的操作系统 (4)
3.层次结构的优缺点分析 •层次结构的优点：整体问题局部化，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。
操作系统的架构和优化分析
操作系统的架构和优化分析操作系统是一种软件系统，它是计算机硬件和应用软件之间的中介，在计算机中起到了非常重要的作用。
操作系统的架构和优化是操作系统设计和实现的两个重要方面，这两个方面直接影响着操作系统的性能和稳定性。
本文将对操作系统的架构和优化进行分析和探讨。
一、操作系统的架构操作系统是一个复杂的软件系统，它包含很多模块，这些模块之间相互协作，协同完成各种任务。
在操作系统的设计中，有两种常见的架构：单内核结构和微内核结构。
1. 单内核结构单内核结构是操作系统最早的一种设计方式，也是应用最广泛的一种结构。
它的设计思路是将所有的操作系统服务和功能都包含在内核中，并在内核中实现各种驱动程序和设备管理器。
这种设计方式的好处是简单，易于实现和维护，因此得到了广泛的应用。
但这种结构的缺点也很明显，一旦内核出现问题，整个系统就会崩溃。
2. 微内核结构微内核结构是近年来被广泛研究和应用的一种操作系统架构。
它的设计思路是将操作系统的一部分核心功能移植到用户空间中，形成一些服务进程。
操作系统内核只提供一些必要的基本功能，如任务调度、进程调度等。
用户服务进程则提供更加复杂的功能和服务。
这种设计方式的好处是安全性更高、可维护性更高，而且可以动态地加载和卸载服务进程。
但是由于微内核结构需要频繁地进行进程间通信，因此也会影响操作系统的性能。
二、操作系统的优化在操作系统的设计和应用中，优化操作系统的性能和稳定性是一个非常重要的任务。
操作系统的优化可以从多个方面进行，包括内存管理、文件系统、进程管理等。
1. 内存管理内存管理是操作系统的一个重要模块，也是影响操作系统性能的重要因素之一。
内存管理涉及到进程的内存分配、交换空间、虚拟内存等方面。
优化内存管理的关键在于增加内存的利用效率，减少内存碎片。
操作系统可以通过实现更加科学的内存管理算法来优化内存管理。
2. 文件系统文件系统是操作系统的另一个重要模块，它是操作系统与外部硬件设备之间的接口，也是操作系统与应用程序之间的接口。
操作系统的架构与设计原理
操作系统的架构与设计原理操作系统是计算机系统中至关重要的一部分，它管理和协调计算机硬件和软件资源，为用户和应用程序提供一个良好的工作环境。
操作系统的架构和设计原理对于其性能和可靠性至关重要。
本文将介绍操作系统的架构和设计原理，并探讨其对计算机系统的影响。
1. 操作系统架构操作系统的架构涉及到如何组织和管理操作系统的各个组件和模块。
常见的操作系统架构包括单内核、微内核和外内核等。
单内核架构是最简单的操作系统架构，它将操作系统的功能封装在一个单一的内核中。
这种架构的好处是实现简单，性能高效。
然而，由于所有的系统服务都运行在一个内核中，任何一个服务的故障都会导致整个系统崩溃。
微内核架构采用模块化的设计，将操作系统的核心功能封装在内核中，而其他功能则以服务的方式运行在内核之外。
这种架构的好处是提高了系统的可靠性和灵活性，因为只有内核需要运行在特权模式下，其他服务可以在用户模式下运行。
然而，由于涉及到进程间通信和上下文切换等额外开销，微内核架构的性能较单内核架构略低。
外内核架构将内核作为一个库提供给应用程序使用，应用程序可以直接调用内核的功能。
这种架构的好处是简化了系统的设计和开发，提高了系统的性能和可靠性。
然而，由于应用程序可以直接调用内核的功能，存在安全性和稳定性的风险。
2. 操作系统设计原理操作系统的设计原理涉及到如何实现操作系统的功能和服务。
常见的操作系统设计原理包括进程管理、内存管理、文件系统和设备驱动等。
进程管理是操作系统中最重要的功能之一，它负责管理和调度计算机系统中的进程。
进程管理涉及到进程的创建、调度、同步和通信等。
操作系统通过进程管理实现了多任务和并发执行，提高了系统的效率和性能。
内存管理是操作系统中的另一个核心功能，它负责管理和分配系统中的内存资源。
内存管理涉及到内存的分配、回收和保护等。
操作系统通过内存管理实现了虚拟内存、内存保护和内存共享等功能，提高了系统的可靠性和安全性。
文件系统是操作系统中的重要组成部分，它负责管理和存储文件和目录等数据。
操作系统的结构设计PPT教学课件
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。
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。
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。
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。
操作系统的结构设计方法
操作系统的结构设计方法操作系统是计算机系统中的核心软件，负责管理和控制计算机硬件资源，提供用户和应用程序的接口。
在操作系统的设计过程中，需要考虑到如何组织和管理系统的各个组件，以实现高效、可靠和安全的运行。
本文将介绍几种常见的操作系统结构设计方法。
1. 单体结构（Monolithic Structure）单体结构是最早期也是最简单的操作系统结构设计方法。
这种设计方法将操作系统的所有模块集成在一个单一的程序中，不同模块之间通过函数调用实现交互。
由于所有功能都包含在一个程序中，单体结构的操作系统往往比较庞大、复杂，且不易维护和扩展。
2. 分层结构（Layered Structure）分层结构是一种将操作系统划分为若干层次的设计方法。
每一层次都提供特定的功能和服务，并且只与相邻的层次进行交互。
分层结构的优势在于模块化程度高，易于维护和扩展，同时也提高了系统的可靠性。
然而，分层结构设计方法也存在一些问题，例如层次划分不当可能导致性能下降和功能冗余。
3. 微内核结构（Microkernel Structure）微内核结构是一种将操作系统的核心功能抽象成最小化的内核，而将其他功能作为用户空间的服务进程运行的设计方法。
微内核结构的优势在于系统的可靠性和安全性较高，因为内核的规模较小，代码量少，容易测试和验证。
此外，由于内核只提供最基本的功能，可以根据需要加载和卸载其他服务进程，从而实现系统的灵活性和可扩展性。
4. 客户-服务器结构（Client-Server Structure）客户-服务器结构是一种将操作系统的功能划分为客户端和服务器端的设计方法。
客户端提供用户界面和应用程序，服务器端负责管理和控制硬件资源。
这种设计方法可以实现多个客户端同时访问服务器资源，从而提高系统的并发性和性能。
然而，客户-服务器结构也存在一些问题，例如服务器端的负载均衡和通信开销的问题。
5. 多层结构（Multilayer Structure）多层结构是一种将操作系统的功能划分为多个层次的设计方法，每个层次都有特定的功能和责任。
计算机操作系统的架构与设计
计算机操作系统的架构与设计计算机操作系统是支撑计算机硬件与软件之间进行有效交互的必要组成部分。
它负责管理计算机的资源，并提供用户与计算机硬件之间的接口。
操作系统的架构与设计对于计算机系统的性能、可靠性和安全性具有重要影响。
本文将探讨计算机操作系统的架构和设计原则，并介绍一些常见的操作系统架构模型。
一、操作系统的架构操作系统的架构是指操作系统的组织和结构，包括内核、外壳、设备驱动程序等组成部分。
1. 内核内核是操作系统的核心部分，它负责管理计算机的硬件资源，提供基本的服务和功能。
内核可以分为微内核和宏内核两种类型。
微内核架构将操作系统的核心功能放在最小的内核中，将其他功能通过服务进程的方式运行在内核之外。
这样做的好处是内核更加稳定，能够更好地隔离不同的模块，但是服务进程的调用会引入一定的开销。
宏内核架构将所有操作系统的功能都放在一个单独的内核中。
这样做的好处是系统调用的开销较小，但是内核的复杂度较高，容易造成单点故障。
2. 外壳外壳是操作系统和用户之间的接口，提供了命令行或图形界面供用户与操作系统进行交互。
外壳可以分为命令行外壳和图形外壳两种类型。
命令行外壳通过命令行解释器来解析用户的命令并执行相应的操作。
它通常提供了一系列的命令和选项供用户使用，可以方便地进行文件管理、进程管理等操作。
图形外壳提供了图形化的用户界面，用户可以通过鼠标和键盘来进行操作。
图形外壳通常提供了窗口、菜单、图标等元素，使用户能够更加直观地与操作系统进行交互。
3. 设备驱动程序设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的接口，负责管理和控制硬件设备的访问。
设备驱动程序可以分为字符设备驱动和块设备驱动两种类型。
字符设备驱动负责对字符设备（如键盘、鼠标）的读写操作。
它将设备抽象为一个字符流，通过读取和写入字符来实现设备的输入和输出。
块设备驱动负责对块设备（如硬盘、光驱）的读写操作。
它将设备抽象为一组块，通过读取和写入块来实现对设备的数据访问。
操作系统的架构和设计原则
操作系统的架构和设计原则操作系统是计算机上最重要的软件之一。
它负责管理计算机硬件资源的分配和控制，为应用程序提供支持和服务。
操作系统的架构和设计原则对于计算机的性能、效率和安全性都有着至关重要的影响。
本文将从几个方面介绍操作系统的架构和设计原则。
一、操作系统的架构操作系统的架构是指操作系统的组成和结构。
操作系统的架构通常分为单体式操作系统和微内核操作系统两种。
1. 单体式操作系统单体式操作系统是指所有操作系统的核心功能（如进程管理、内存管理、输入输出等等）都封装在一个整体的系统中。
这种操作系统采用的是集中式的架构，所有的功能模块都链接到同一个内核中。
这种设计方式的优点在于结构简单，效率高，但是缺点也比较明显，因为操作系统的所有模块都链接到同一个内核中，这就导致了在模块出现故障时，会对整个系统造成影响而大大影响可靠性和可维护性。
2. 微内核操作系统微内核操作系统则是采用分布式架构，将操作系统的核心服务分解成各个独立的服务模块，分布在不同进程中，这些进程在需要的时候通过通信来进行数据交换。
这种方式在可维护性和可扩展性上都有很大提升，但是在效率上也有所下降。
因为通信需要一定的时间，而每个模块都是独立运行，所以相对来说效率比较低一些。
不过最近的微内核操作系统，如L4、MINIX3、seL4等，在优化通信和策略控制方面都有了很大的进步。
二、操作系统的设计原则在操作系统的架构的基础上，设计原则的重要性不容忽视。
操作系统设计原则的关键在于确保操作系统在保护计算机硬件资源和支持应用程序之间找到一个平衡点。
以下列出了一些操作系统设计原则：1. 抽象操作系统应该将所有硬件资源进行抽象，为程序员和应用程序提供更高层次的接口。
这个接口涉及CPU、磁盘、内存、网络、键盘、鼠标、屏幕等设备。
实现抽象的方式是通过驱动程序，它可以将各种设备转换为高层次的接口，供用户使用。
2. 把功能划分成模块操作系统内部的组件和模块分别进行不同的功能，例如CPU调度、磁盘管理、进程管理等等。
现代操作系统1 - 3操作系统的结构设计
件环境）；如：操作系统的移植。 ❖ 完善性维护：增加新功能；
可靠性：可靠性包括两方面：
❖ 正确性：正确实现所要求的功能和性能； ❖ 稳健性：对意外（故障和误操作）作出适当的处理；
可理解性：易于理解，以方便测试、维护和交流； 性能：有效地使用系统资源；尽可能快地响应用户请求；
登录
OS/2
进程
客户
Win32
执 对象 行 管理器 体
安全引 用监视
器
OS/2 子系统
Win32 子系统
系统服务
进程和线程 管理器
本地过 程调用 功能
内核 硬件抽象层
POSIX 子系统
用户态 核心态
虚拟内 存
管理器
I/O管理器 高速缓存管理器 文件系统驱动程序 网络重定向 硬件设备驱动程序
2023年11月12日星期日
Page 20
THE END
常用的操作系统
MS DOS MS Windows 3.x, Windows 95,
Windows NT, Windows 2000 UNIX
Operating System
2023年11月12日星期日
Page 22
MS DOS
IBM PC, CPU 8088/8086, BIOS 单用户单任务，简单分层结构，16位
❖ 目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软 件质量不可保证以及维护困难等问题
Operating System
2023年11月12日星期日
Page 3
操作系统的结构设计
软件工程的基本概念 传统的操作系统结构 微内核OS结构 客户/服务器模式 面向对象程序设计
操作系统结构
-small microkernel can be rigorously tested.
（3）可运行于分布式系统中。
message are sent without knowing what the target machine is.
23
微内核 客户/服务器模式的优点
15
3.微内核结构
现代操作系统的一个趋势是将这种把代 码移到更高层次的思想进一步发展，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。 通常的方法是将大多数操作系统功能由 用户进程来实现。过去已成为操作系统 传统的许多服务，现在成了与微内核交 互的外部子系统。
16
微内核思想
微内核用水平型代替传统的垂直型结构 操作系统。 微内核基本思想是：内核中仅存放那些 最基本的核心操作系统功能。其它服务 和应用则建立在微内核之外，在用户模 式下运行。
Monolithic (one unstruOS按其功能划分为若干个具有一定独 立性和大小的模块，每个模块具有某方 面的管理功能，并规定好各模块之间的 接口，使各模块间能通过该接口实现交 互。 关键问题是模块的划分和规定好模块之 间的接口
4
3.分层式结构OS
14
一道思考题
在计算机系统中，为什么要区分管态与目态？ 【解答】操作系统是计算机系统中最重要的系 统软件，为了能正确地进行管理和控制，其本 身是不能被破坏的。因此，系统采用了区分处 理机状态的办法，为操作系统程序建立一个保 护环境。这样，用户程序只能在目态下运行， 只能执行非特权指令，只能访问自己的存储区， 从而保护了操作系统程序的正常运行。
这样，微内核起消息交换功能，它验证 消息，在构件之间传送消息，并授权存 取硬件。
计算机操作系统操作系统结构
计算机操作系统操作系统结构计算机操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的核心与基石。
而操作系统的结构设计直接影响着其性能、可扩展性、可靠性和安全性等诸多方面。
操作系统的结构可以从不同的角度进行分类和描述。
其中一种常见的分类方式是基于层次结构。
在层次结构中，操作系统被划分为若干个层次，每个层次都有明确的功能和职责，并且只依赖于其下一层的服务。
最底层通常是硬件相关的操作，如设备驱动程序，负责直接与计算机的硬件进行交互。
往上一层可能是内核层，处理进程管理、内存管理等核心功能。
再往上则是各种系统服务层，如文件系统、网络协议栈等。
这种层次结构的优点是清晰明了，便于理解和维护，不同层次之间的依赖关系简单，使得系统的修改和扩展相对容易。
另一种结构是微内核结构。
微内核结构将操作系统的核心功能尽量压缩到一个很小的内核中，而把大部分非核心功能作为服务进程运行在用户空间。
内核只负责最基本的任务，如进程调度、消息传递等。
其他功能，如文件系统、设备驱动程序等，则在用户空间以服务的形式存在。
这种结构的优点是内核小巧灵活，稳定性高，而且便于移植。
但由于大量功能在用户空间运行，可能会导致性能上的一些损失。
宏内核结构则是将操作系统的大部分功能都集成在一个大的内核中。
这种结构的优点是性能较高，因为内核中的功能之间可以直接调用，不需要进行进程间通信。
然而，宏内核结构的可扩展性和可维护性相对较差，因为内核的规模较大，修改和调试都比较困难。
除了上述的结构分类，操作系统的结构还可以从模块结构的角度来看。
模块结构将操作系统划分为多个独立的模块，每个模块完成特定的功能。
这些模块可以根据需要动态地加载和卸载，提高了系统的灵活性。
但模块之间的接口设计和模块之间的依赖关系处理是一个重要的问题，如果处理不好，可能会导致系统的不稳定。
在实际的操作系统设计中，往往不是单纯地采用某一种结构，而是多种结构的结合和优化。
例如，现代的操作系统可能在核心部分采用微内核结构，以保证稳定性和可扩展性，而在一些对性能要求较高的部分采用宏内核的方式，以提高效率。
操作系统架构设计方案
操作系统架构设计方案1. 引言操作系统作为计算机系统的核心组成部分，扮演着管理资源、调度任务、提供用户接口等重要角色。
本文将探讨操作系统架构的设计方案，旨在提供一个高效、可靠、安全的操作系统。
2. 概述在设计操作系统架构时，需要考虑以下几个方面：2.1 资源管理：包括内存管理、进程管理、文件系统等；2.2 调度策略：如何合理调度任务，提高系统资源的利用率；2.3 安全机制：确保系统与用户数据的安全性；2.4 可扩展性：针对不同场景和需求，操作系统能够灵活扩展；2.5 模块化设计：将功能模块化，提高系统的可维护性和可理解性。
3. 3.1 内核/微内核架构内核是操作系统的核心部分，负责底层硬件访问和资源管理。
采用内核/微内核架构可以将操作系统划分为核心内核和微内核两个部分，实现分模块化的设计。
3.1.1 核心内核核心内核负责底层硬件访问和资源管理，包括中断处理、内存管理、进程管理等核心功能。
采用单内核或多内核设计可以根据需求选择合适的实现方式。
3.1.2 微内核微内核包含一系列服务和驱动程序，负责与核心内核进行交互，并提供高层次的系统服务。
3.1.3 优势与挑战内核/微内核架构的优势在于模块化设计，可以提高操作系统的可扩展性和可维护性。
然而，由于模块之间的通信开销，性能可能会受到一定影响。
3.2 分层架构分层架构将操作系统划分为多个层次，每个层次负责不同的功能。
这种架构有助于提高系统的可理解性和可维护性。
3.2.1 硬件抽象层硬件抽象层负责与底层硬件进行交互，提供对硬件资源的访问接口。
3.2.2 内核服务层内核服务层提供核心功能，包括进程管理、内存管理、文件系统等。
这些功能通过系统调用接口向上层提供服务。
3.2.3 用户接口层用户接口层为用户提供友好的界面，使用户能够方便地与操作系统进行交互。
3.2.4 优势与挑战分层架构的优势在于功能清晰分离，提高系统的可维护性和可理解性。
然而，分层架构可能会增加一定的系统开销和通信开销。
操作系统的架构与设计
操作系统的架构与设计操作系统是计算机系统中的核心组件，负责管理和协调计算机硬件与软件资源的分配和调度。
一个好的操作系统应该具备良好的架构与设计，以确保其稳定性、可扩展性和性能优化。
本文将探讨操作系统的架构与设计的重要性，并介绍常见的操作系统设计模式。
一、操作系统架构的重要性操作系统架构决定了系统的组织结构和工作方式，对操作系统的性能和可靠性有着重要的影响。
一个良好的操作系统架构应该具备以下特点：1. 分层结构：操作系统可以按照不同的功能划分为多个层次，每个层次专注于一种特定的功能，使得系统的功能清晰、模块化，并且易于维护和扩展。
2. 模块化设计：每个模块应该具备独立性，不同模块之间通过定义清晰的接口进行通信，降低模块之间的耦合度，以提高代码的可重用性和可维护性。
3. 并发与并行支持：操作系统需要支持多任务的并发执行以提高系统的吞吐量和响应速度，同时还应该支持多处理器系统的并行计算，以充分利用硬件资源。
4. 中断处理：操作系统应该具备良好的中断处理机制，能够快速响应硬件的中断请求，并能够根据优先级进行中断的处理和调度。
5. 内存管理：操作系统需要实现内存管理的功能，包括内存的分配和回收、虚拟内存的管理和页式存储等，以最大限度地提供给应用程序足够的内存空间。
6. 文件系统：操作系统应该提供良好的文件系统支持，实现文件的组织和管理，包括文件的存储、检索和保护等功能。
二、常见的操作系统设计模式为了实现良好的操作系统架构，常用的设计模式可以帮助开发人员简化设计和实现过程，提高系统的可维护性和性能。
以下是几种常见的操作系统设计模式：1. 微内核设计模式：将操作系统核心功能尽可能的精简，将其他功能实现为独立的服务或进程，通过IPC（进程间通信）机制进行通信。
这种设计模式可以提高系统的可扩展性和可靠性。
2. 多任务调度模式：根据进程的优先级和调度算法，实现任务的调度和切换，以实现多个任务的并发执行。
3. 虚拟内存管理模式：通过将内存分为若干个固定大小的页，实现虚拟内存的管理和页式存储，以提高内存的利用率和应用程序的运行效率。
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创建系统进程
程序 中断 处理
操 管作 态系
统 内 核 完 成
队列调整
低级调度
目
运行进程
态
操作系统的构件(7)
2、进程
进程是并发程序设计的一 个工具，并发程序设计支 撑了多道程序设计
操作系统的构件(8)
进程概念使OS结构变得清晰(1)
1）一个进程到另一个进程的控制转移由进 程调度机构统一管理，不能杂乱无章，随意 进行。
THE系统第一次提出层次结构设计方法
• 第0层完成中断处理、定时器管理和处理 器调度。第1层内存和磁鼓管理，为进程 分配内存空间，并自动实现内存和磁鼓对 换区的数据交换。第2层处理进程与操作 员间的通信，为每个进程生成虚操作员控 制台。第3层I/O管理，管理信息缓冲区。 第4层用户（进程）层。第5层系统操作员 （进程）层。
2）进程间的信号发送、消息传递和同步互
斥由通信及同步机制完成，进程无法有意或 无意破坏它进程的数据。每个进程相对独立， 相互隔离，提高了系统的安全性和可靠性。
操作系统的构件(9)
进程概念使OS结构变得清晰(2)
3）进程结构较好刻画了系统的并 发性，动态地描述出系统的执行过 程，具有进程结构的操作系统，结 构清晰、整齐划一，可维护性好。
1.4 操作系统的结构设计
1.4.1 操作系统的构件 1.4.2 整体式结构的操作系统 1.4.3 层次式结构的操作系统 1.4.4 虚拟机结构的操作系统 1.4.5 客户/服务器与微内核结构的操作系统 1.4.6 操作系统的运行模型 1.4.7 Windows 2000/ XP的客户/服务器结构
1.4 .1操作系统的结构设计
Windiws2000/ XP客户/服务器结构(2)
• 采用基于对象技术，提出了一种C/S系 统结构，该结构在纯微内核结构的基础 上做了扩展，融合了层次式结构和纯微 内核结构的特点。
• 对操作系统性能影响很大的组件放在内 核下运行，其他功能则在内核外实现。
• 主要优点是模块化程度高、灵活性大、 便于维护、系统性能好。
操作系统的构件(10)
3、线程
• 进程是系统进行保护和资源分配的 单位，而线程则是进程中一条执行 路径，每个进程中允许有多个并行 执行的路径，线程才是系统进行调 度的单位。
操作系统的构件(11)
4、管程
• 管程是管理共享资源的机制，对 管程的调用表示对共享资源的请 求与释放。管程应包含条件变量， 当条件不满足时，可以通过对条 件变量做延迟操作使调用进程等 待，直到另一个进程调用管程过 程并执行一个释放操作为止。
• 1975年，汉森成功地在PDP 11/45机上实 现了：单用户操作系统Solo、处理小作 业作业流系统和过程控制实时调度系统 等三个层次管程结构的操作系统。
操作系统体系结构分类
• 整体式结构 • 层次式结构 • 虚拟机结构 • 客户服务器及微内核结构
1.4.2 整体式结构的操作系统
操作系统的整体式结构又叫模块组 合法，早期操作系统(如IBM操作系 统)采用这种结构设计方法，
操作系统结构设计概况(1) 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、OS/360、Multics 、 Windows 2000
操作系统的结构设计概况(2)
操作系统结构设计有两层含义
一.是研究操作系统程序的数据结构 和控制结构；
二.是组成操作系统程序的构造过程 和方法。采用不同的构件和构造方
客户/服务器与微内核 结构操作系统(9)
3）I/O和中断管理
driver thread; do
wait for (mhg， sender); if sender = my_hardware_interrupt
{ read/writer I/O ports; reset hardware interrut
RPC Spooler 事件日志
环境子系统 POSIX OS2
WIN32
系统线程
NTDLL.DLL
应用程序 任务管理器 IE浏览器 用户程序
子系统DLL
用
户
态
系统服务调度进程 核心态可调用接口(执行程序API)
核 Win32 心 User 态
I/O 文件缓存即插即用 电源 安全访问 虚存 进程线 注册表配 局部过 GDI 管理器 管理 管理 管理器 监视 管理 程管理 置管理器 程调用 图形驱动
1.4.4 虚拟机结构的操作系统(1)
基于如下思想，一个分时系统应该提 供以下特性：
(1) 多道程序，
(2) 一个具有比裸机更方便、界面扩展 的计算机。
VM/370的主旨在于将此二者彻底地隔 离开来。
虚拟机结构的操作系统(2)
• 物理计算机资源通过多重化和共享技 术可改变成多个虚拟机。
• 基本做法：通过用一类物理设备来模 拟另一类物理设备，或通过分时地使 用一类物理设备，把一个物理实体改 变成若干个逻辑上的对应物。物理实 体是实际存在的，而逻辑上的对应物 是虚幻的、感觉上的。
3）虚拟机为进程或模块提供了功能较 强的指令系统。
内核 被触 发和 内核 处理 流程
自愿中断事件
保护现场
分析和传递参数
是 原语?
原语处理
否
创建系统进程
系统调用处理
运行进程 发发现现中断中源 断源 装配中断码 交换PSW
强迫中断事件
目 态
硬 件 完 成
机器故 障
中断处 理
I/O 中断 处理
外中 断处 理
虚拟机结构的操作系统(3)
程序设 计接口
进程 内核
进程 内核 虚机器 硬件
进程 内核
虚拟机概念结构
370虚拟机
I/O指令 陷入
CMS CMS CMS VM370 370裸机
运行CMS的VM370虚拟机器
系统调用 陷入
1.4.5 客户/服务器与微内核 结构操作系统(1)
1、客户/服务器与微内核结构 客户/服务器结构的思想：将操作系统 分成两大部分， 一是运行在用户态并以C/S方式活动的 进程; 二是运行在核心态的内核。
Windows2000/XP客户/服务器结构(3)
结构简框
系统进 程
服务进 应用程 环境子系
程
序
统
子系统动态链接库
执行体
核心
设备驱动程序
硬件抽象层
图形 引擎
用户态 核心态
Windows2000/ XP客户/服务器结构(4)
系统进程 服务管理器 安全验证 Win登录 会话管理器
服务进程 Service.exe
客户/服务器与微内核 结构操作系统(3)
客户/服务器结构的思想(2)
• 运行在核心态的内核把该消息传给服务 器;服务器执行相应操作，再通过内核用 消息把结果返回给用户。内核只实现极 少任务，主要起信息验证、交换的作用， 因 而 ， 称 微 内 核 (Microkernel) ， 这 种 结 构也就称为客户/服务器与微内核结构。
•主要设计思想： •主要设计步骤： •主要优点和缺点：
1.4.3 层次式结构的操作系统(1)
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，这样不但 系统结构清晰，而且不构成循环。
层次式结构的操作系统(2)
操作系统的构件(3)
Linux的内核
• Lniux的模组(module) ，一定程度上 解决了核心功能的灵活性和可伸缩性 问题。
• Linus曾经就结构问题做出过解释： 现代成功的操作系统基本上都不具有 微内核特性，因此，Linux也不必是 微内核结构操作系统。
操作系统的构件(4)
内核提供以下三方面功能
4）可靠性 5）支持分布式系统 6）支持面向对象的操作系统
客户/服务器与微内核 结构操作系统(6)
2、微内核的设计
1）基本的存储管理 微内核支持内核外部的页面管理和虚存管 理：
•转让（Grant）
•映射 (Map)
•刷新（Flush）
客户/服务器与微内核 结构操作系统(7)
内核外的页面管理程序做缺页处理
1）中断处理。 2）短程调度。 3）原语管理。
操作系统的构件(5)
内核的执行有以下属性
1）内核是由中断驱动的 2）内核的执行是连续的 3）内核在屏蔽中断状态下执行 4）内核可以使用特权指令
操作系统的构件(6)
内核和裸机组成了一台虚拟机具有 以下特性：
1）虚拟机没有中断， 2）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟 处理器，
• 层次结构的全序和半序式 • 层次结构的由底向上方法
和自顶向下方法
层次式结构的操作系统(3)
构造层次结构OS分层原则
1）把与机器硬件有关的程序模块放在 最底层，
2)反映系统外特性的软件放在最外层，
3)按照实现操作系统命令时模块间的 调用次序或按进程间单向发送信息的顺 序来分层
4)为进程的正常运行创造环境和提供条 件的内核程序应该尽可能放在底层。
客户/服务器与微内核 结构操作系统(2)
客户/服务器结构的思想(1)
• 每个进程实现一类服务，称服务器进 程(如文件服务、进程管理服务、存储 管理服务、网络通信服务等)。它的任 务是检查是否有客户提出服务请求， 如果有请求则在满足客户的要求后返 回结果，于是，用户进程与服务器进 程形成了C/S关系。
内核堆栈
共享地址空间
操作系统的运行模型(5)
3）OS功能作为独立进程执行的模型
P1
P2
…
Pn
OS1 OS2 … OSm
进程切换函数
1.4.7Windows 2000/ XP客户/服 务器结构(1)