第三次操作系统结构设计课件.ppt

操作系统设计操作系统设计操作系统设计目标操作系统设计目标1 1、可靠性、可靠性 正确性正确性 困难：困难：并发性、共享性、随机性并发性、共享性、随机性（中断）（中断）健壮性（鲁棒性）健壮性（鲁棒性）2 2、高效性、高效性 多道程序设计的目标是提高资源多道程序设计的目标是提高资源利用率，但系统开销加大利用率，但系统开销加大TuTu：运行目态程序所用的时间：运行目态程序所用的时间TsuTsu：运行管态程序为用户服务所用：运行管态程序为用户服务所用的时间的时间TsmTsm：运行管态程序做系统管理工作：运行管态程序做系统管理工作所用的时间所用的时间系统运行效率：系统运行效率：=(Tu+Tsu)/(Tu+Tsu+Tsm)=(Tu+Tsu)/(Tu+Tsu+Tsm)3 3、易维护、易维护 易读性易读性 易扩充性易扩充性 易修改性易修改性 易裁减性易裁减性4 4、易移植性、易移植性5 5、安全性、安全性6 6、可适应性、可适应性7 7、简明性、简明性设计一个操作系统主要包括设计一个操作系统主要包括功能设计功能设计算法设计算法设计结构设计结构设计操作系统的结构设计操作系统的结构设计结构设计：结构设计：按照系统的功能和特性要求，选择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、合，使操作系统结构清晰、简单、可靠、易读、易修改，而且使用方可靠、易读、易修改，而且使用方便，适应性强便，适应性强操作系统的结构：操作系统的结构：整体式结构整体式结构 层次式结构层次式结构 进程分层结构进程分层结构 层次管程结构层次管程结构 客户客户-服务器结构服务器结构1.1.整体式结构整体式结构2.2.模块接口法（无序模块法，模块组合法）模块接口法（无序模块法，模块组合法）首先确定操作系统的总体功能，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，然后将总功能分解为若干个子功能，实现每个子功能的模块称为模块。

继实现每个子功能的模块称为模块继续分解，直至每个模块仅包含单一功续分解，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能为止最后通过接口将所有模块连接起来形成一个整体接起来形成一个整体模块模块3模块模块2模块模块7模块模块1模块模块6模块模块5模块模块8模块模块4特点：根据功能划分模块特点：根据功能划分模块 数据基本上作为全局量使用数据基本上作为全局量使用 在系统内部，不同模块程序之间在系统内部，不同模块程序之间 可以不加控制地互相调用和转移可以不加控制地互相调用和转移 信息的传递方式信息的传递方式 可根据需要随意约定可根据需要随意约定 因而造成模块间的循环调用因而造成模块间的循环调用优点：优点：结构紧密结构紧密 接口简单直接接口简单直接 模块间转接的灵活性使系统效率高模块间转接的灵活性使系统效率高缺点缺点(1)(1)：由于模块之间可以任意相互调用，形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，成网络，各模块互相联系，独立性差，系统结构不清晰系统结构不清晰 数据作为全局量处理，系统内各模块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，造成模块间均可对其进行存取和修改，造成模块间更为隐蔽的关系更为隐蔽的关系,使得难于对软件结构使得难于对软件结构作出综合性的理解，难于修改，可靠性、作出综合性的理解，难于修改，可靠性、易读性、适应性难以保证易读性、适应性难以保证缺点缺点(2)(2)：由于模块接口法常以大型表格为中心，为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法，从而限制了系统的并发性结论结论可适应性较差可适应性较差适用于适用于 规模较小规模较小 使用环境比较稳定使用环境比较稳定 却要求效率较高的系统却要求效率较高的系统用户程序用户程序2 2用户程序用户程序1 1服务例程服务例程分配表分配表1234主主存存用户程序用户程序在用户态运行在用户态运行操作系统操作系统在核心态运行在核心态运行2.2.层次式结构层次式结构 按此模型构造的第一个操作系统是按此模型构造的第一个操作系统是 E.W.Dijkstra和他的学生和他的学生 在荷兰开发的在荷兰开发的THE系统（系统（1968年）年）THE系统分为六层：系统分为六层：层次层次功能功能 5 5 操作员操作员 4 4 用户程序用户程序 3 3 输入输入/输出管理输出管理 2 2 操作员操作员-进程通信进程通信 1 1 内存和磁盘管理内存和磁盘管理 0 0 处理器分配和多道程序处理器分配和多道程序3.3.进程分层结构进程分层结构 采用进程概念后采用进程概念后 把含有并发活动的系统把含有并发活动的系统 分为若干异步运行的分为若干异步运行的 与时间无关的顺序程序模块与时间无关的顺序程序模块 操作系统的任务就是操作系统的任务就是 协调这些异步运行的进程协调这些异步运行的进程 使它们能够协调工作使它们能够协调工作进程分层结构进程分层结构 把系统中所有的进程模块把系统中所有的进程模块 按照一定的原则排列在若干层上按照一定的原则排列在若干层上 并要求这些层间是一种单向依赖关系并要求这些层间是一种单向依赖关系系统由系统由 一个核心和位于各层上的若干进程组成一个核心和位于各层上的若干进程组成 优点：优点：进程模块的独立性强、易维护、易调整进程模块的独立性强、易维护、易调整整个系统结构清晰、形式整齐划一整个系统结构清晰、形式整齐划一 缺点：缺点：由由于于系系统统中中所所有有进进程程的的控控制制转转移移、通通讯讯等等任任务务全全部部交交给给系系统统的的核核心心去去管管理理，要要花花费费一定的代价一定的代价 主要主要缺点缺点有：有：每一个进程必须设立进程控制块每一个进程必须设立进程控制块 用以保留进程的状态信息用以保留进程的状态信息 增加了内存开销增加了内存开销 进程间控制转移、状态保留及信息传送进程间控制转移、状态保留及信息传送 均由核心管理均由核心管理 时间消耗多，效率下降时间消耗多，效率下降 系统并发活动过多，调度负担过重系统并发活动过多，调度负担过重 且同步操作过于分散且同步操作过于分散 易于造成死锁，影响了系统的安全性易于造成死锁，影响了系统的安全性4 4、虚拟机结构、虚拟机结构系统调用系统调用陷入陷入陷入陷入I/O指令指令CMSCMSCMS370虚拟机虚拟机VM/370370裸机裸机虚拟机思想的应用：在奔腾虚拟机思想的应用：在奔腾CPUCPU上运行老的上运行老的MS-DOSMS-DOS程序程序IntelIntel在奔腾芯片上提供了一个在奔腾芯片上提供了一个虚拟虚拟80868086模式，在此模式下，奔模式，在此模式下，奔腾机就像一台腾机就像一台80868086计算机一样，计算机一样，包括包括1M1M字节内的字节内的1616位寻址方式位寻址方式 虚拟虚拟80868086模式被模式被WindowsWindows、OS/2OS/2及其他操作系统用于运行及其他操作系统用于运行MS-DOSMS-DOS程序。

程序在虚拟程序程序在虚拟80868086模式下启模式下启动，执行一般的指令时它们在裸动，执行一般的指令时它们在裸机上运行但是，当一个程序试机上运行但是，当一个程序试图陷入系统来执行一条系统调用图陷入系统来执行一条系统调用时，或者试图执行受保护的时，或者试图执行受保护的I/OI/O操作时，将发生一条虚拟机监控操作时，将发生一条虚拟机监控程序的陷入程序的陷入两种设计方法：两种设计方法：第一种：第一种：MS-DOSMS-DOS本身被装入虚拟本身被装入虚拟80868086模式的地址空间，虚拟机仅仅模式的地址空间，虚拟机仅仅将该陷入传回给将该陷入传回给DOSDOS第二种：虚拟机监控程序仅仅捕获第二种：虚拟机监控程序仅仅捕获第一条陷入并自己执行第一条陷入并自己执行I/OI/O操作IBM390IBM390与与LinuxLinux：LinuxLinux在在S/390S/390下有三种实现模式：下有三种实现模式：本地运行模式：即独立运行模式，本地运行模式：即独立运行模式，LinuxLinux可以不依赖可以不依赖S/390S/390自己的任何操作系统完自己的任何操作系统完整地运行整地运行逻辑分区运行模式：逻辑分区运行模式：LinuxLinux在在S/390S/390的硬的硬件逻辑分区内运行，件逻辑分区内运行，S/390S/390最大支持最大支持1515个个独立的逻辑分区独立的逻辑分区 VM/ESAVM/ESA模式：把模式：把LinuxLinux当成一个虚拟机来当成一个虚拟机来运行，运行，VMVM提供虚拟的提供虚拟的CPUCPU、I/OI/O子系统和子系统和内存资源内存资源IBM390IBM390与与LinuxLinux：用户既可以选择把用户既可以选择把OS/390OS/390与与LinuxLinux共共存，只是简单地共享硬件，也可以存，只是简单地共享硬件，也可以将两者设置成客户将两者设置成客户/服务器模式来应服务器模式来应用，非常灵活用，非常灵活 为了控制并发程序设计的复杂性为了控制并发程序设计的复杂性使并发程序易于理解和易于保证其正确性使并发程序易于理解和易于保证其正确性吸取模块组合结构和进程分层结构优点吸取模块组合结构和进程分层结构优点不断寻求一种抽象的概念和严格的表示法不断寻求一种抽象的概念和严格的表示法 发展了以数据为中心的模块概念发展了以数据为中心的模块概念 和操作系统的层次管程结构和操作系统的层次管程结构5.5.层次管程结构层次管程结构 系系统统按按资资源源管管理理的的观观点点分分解解成成若若干干模模块块，用用数数据据表表示示抽抽象象系系统统资资源源，同同时时分分析析了了共共享享资资源源和和专专用用资资源源在在管管理理上上的的差差别别，按按不不同同的的管管理理方方式式定定义义模模块块的的类类型型和和结结构构，使使同同步步操操作作相相对对集集中中，从从而而增增加加了了模模块块的的相相对独立性对独立性从从功功能能和和实实现现相相结结合合的的观观点点出出发发，从从系系统统中中提提炼炼出出管管程程、类类程程、一一般般模模块块和和进进程程等等几几种种基基本本成成分分，使使一一个个复复杂杂的的系系统统可可分分解解为为由由这这几几种种基基本成分构成的模型本成分构成的模型在在分分解解和和提提炼炼这这些些模模块块的的基基础础上上，将将它它们们按按照照一定的准则编入各层，包括核心在内一定的准则编入各层，包括核心在内核核心心是是最最内内层层，可可看看成成是是管管理理中中央央处处理理机机的的一一个专门管程个专门管程最最外外层层是是反反映映系系统统并并发发度度的的若若干干管管程程、类类程程和和一般模块一般模块称操作系统的这种结构为层次管程结构称操作系统的这种结构为层次管程结构这种结构设计方法为这种结构设计方法为PCMPCM方法方法层次管程结构的优点层次管程结构的优点(1)(1)：结构清晰统一结构清晰统一 同步操作相对集中，增加系统安全性同步操作相对集中，增加系统安全性 用高级语言书写程序用高级语言书写程序 可以缩短系统的研制周期可以缩短系统的研制周期 利用编译时检查取代硬件保护机构利用编译时检查取代硬件保护机构 更加灵活更加灵活 降低了运行时检查的开销降低了运行时检查的开销层次管程结构的优点层次管程结构的优点(2)(2)：由于只有进程是系统中并发执行单位由于只有进程是系统中并发执行单位 因此可按照系统要求的并发度因此可按照系统要求的并发度 设置进程设置进程 由于去掉了不必要的平行性由于去掉了不必要的平行性 从而减少了系统开销从而减少了系统开销层次管程结构的局限性层次管程结构的局限性(1)(1)管程概念的一重要特征是管程概念的一重要特征是 保证模块内数据的完整性保证模块内数据的完整性为了保证每一管程所管理的数据的完整性为了保证每一管程所管理的数据的完整性 可采用局部互斥。