操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

第七章操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1、正確性

困難：并發(fā)性、共享性、隨機(jī)

性（中斷）

2、高效性

多道程序設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高資

源利用率，但系統(tǒng)開銷加大。

Tu:運(yùn)行目態(tài)程序所用的時(shí)間

Tsu:運(yùn)行管態(tài)程序?yàn)橛脩舴?wù)

所用的時(shí)間

Tsm:運(yùn)行管態(tài)程序做系統(tǒng)管理

工作所用的時(shí)間

系統(tǒng)運(yùn)行效率：

r|=(Tu+Tsu)/(Tu+Tsu+Tsm)

3、易維護(hù)

易讀性

易擴(kuò)充性

易修改性

易裁減性

4、易移植性

7.2操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核和體系

結(jié)構(gòu)

7.2.1內(nèi)核的基本組成

中斷處理

調(diào)度

同步機(jī)制

基本內(nèi)核組成及聯(lián)系

7.2.2操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1、主動(dòng)模塊和被動(dòng)模塊

主動(dòng)模塊（進(jìn)程模塊）:

可以獲得處理機(jī)而運(yùn)行

被動(dòng)模塊（普通模塊）:

沒有獲得處理機(jī)的資格,

但可以被主動(dòng)模塊所調(diào)用

管理資源

2、相互作用

(1)主動(dòng)模塊與主動(dòng)模塊間的相

互作用

*直接相互作用：消息傳遞

*間接相互作用：主動(dòng)模塊調(diào)用

被動(dòng)模塊，被動(dòng)模塊存取共享變

量

共享變量

(b)間接相互作用

主動(dòng)模塊與主動(dòng)模塊之間的相互作用

(2)主動(dòng)模塊與被動(dòng)模塊間的相

互作用

主動(dòng)模塊可以調(diào)用被動(dòng)模塊，

被動(dòng)模塊不能調(diào)用主動(dòng)模塊

主動(dòng)模塊與被動(dòng)模塊之間的相互作用

(3)被動(dòng)模塊與被動(dòng)模塊間的相

互作用

主動(dòng)模塊調(diào)用被動(dòng)模塊，被動(dòng)

模塊又調(diào)用另一個(gè)被動(dòng)模塊

3、基于共享變量的結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)由一組普通模塊和一

組進(jìn)程模塊組成。普通模塊位于

系統(tǒng)的下層，進(jìn)程模塊位于系統(tǒng)

的上層。進(jìn)程模塊之間主要通過

調(diào)用普通模塊，后者訪問共享變

量發(fā)生間接相互作用。

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行效率高

缺點(diǎn)：不適合于分布式系統(tǒng)

共享變量

4、基于消息傳遞的結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)由內(nèi)核及一組進(jìn)程模

塊構(gòu)成，進(jìn)程與進(jìn)程之間的相互

作用采用消息通信或信件通信方

式實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)清晰，靈活性好

適合分布式系統(tǒng)和非分布式系統(tǒng)

缺點(diǎn)：進(jìn)程之間的轉(zhuǎn)接帶來較大

的系統(tǒng)開銷

7.3操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)操作系統(tǒng)：

功能設(shè)計(jì)

，法設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：按照系統(tǒng)的功能和

特性要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)，使

用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)逐

步地分解、抽象和綜合，使操作

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單、可靠、易

讀、易修改，而且使用方便，適

應(yīng)性強(qiáng)

程序結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):

整體式結(jié)構(gòu)

層次式結(jié)構(gòu)

進(jìn)程分層結(jié)構(gòu)

虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)

層次管程結(jié)構(gòu)

客戶-服務(wù)器結(jié)構(gòu)

1、整體式結(jié)構(gòu)

模塊接口法，無序模塊法，模

塊組合法

臺(tái)匕

首先確定操作系統(tǒng)的總體功月匕，

然后將總功能分解為若干個(gè)子功能,

實(shí)現(xiàn)每個(gè)子功能的模塊稱為模塊。

繼續(xù)分解，直至每個(gè)模塊僅包含單

一功能為止。最后通過接口將所有

模塊連接起來形成一個(gè)整體。

模塊1?

特點(diǎn)：根據(jù)功能劃分模塊

數(shù)據(jù)基本上作為全局量使用

在系統(tǒng)內(nèi)部，不同模塊的程

序之間可以不加控制地互相調(diào)用和

轉(zhuǎn)移

信息的傳遞方式可以根據(jù)需

要隨意約定,因而造成模塊間的循

環(huán)調(diào)用

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊密

接口簡(jiǎn)單直接

模塊之間轉(zhuǎn)接的靈活性使

系統(tǒng)效率高。

缺點(diǎn)：由于模塊之間可以任意相互

調(diào)用，形成網(wǎng)絡(luò)，各模塊互相聯(lián)系,

獨(dú)立性差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不清晰

數(shù)據(jù)作為全局量處理，系統(tǒng)內(nèi)

各模塊均可對(duì)其進(jìn)行存取和修改，

造成模塊間更為隱蔽的關(guān)系。使得

難于看軟件結(jié)構(gòu)作出綜合性的理解,

難于修改，可靠性、易讀性、適應(yīng)

性難以保證

由于模塊接口法常以大型表格

為中心，為保證數(shù)據(jù)完整性，往

往采用全局封中斷的方法，從而

限制了系統(tǒng)的并發(fā)性。

結(jié)論：可適應(yīng)性較差，適用于規(guī)

模較小、使用環(huán)境比較穩(wěn)定卻要

求效率較高的系統(tǒng)

用戶程序

在用戶態(tài)運(yùn)行

主J

存

操作系統(tǒng)

在核心態(tài)運(yùn)行

2、層次式結(jié)構(gòu)

按此模型構(gòu)造的第一個(gè)操作系

統(tǒng)是氏W.Dijkstra和他的學(xué)生在

荷蘭開發(fā)的THE系統(tǒng)（1968年）

該系統(tǒng)分為六層：

層次功能

5操作員

4用戶程序

3輸入/輸出管理

2操作員-進(jìn)程通信

1內(nèi)存和磁盤管理

0處理器分配和多道程序

3、進(jìn)程分層結(jié)構(gòu)

采用進(jìn)程概念后，把含有并發(fā)

活動(dòng)的系統(tǒng)劃分為若干異步運(yùn)行

的、與時(shí)間無關(guān)的順序程序模塊。

操作系統(tǒng)的任務(wù)就是協(xié)調(diào)這些異

步運(yùn)行的進(jìn)程，使它們能夠協(xié)調(diào)

工作。

進(jìn)程分層結(jié)構(gòu)是把系統(tǒng)中所有

的進(jìn)程模塊按照一定的原則排列

在若干層上，并且要求這些層之

間是一種單向依賴關(guān)系。系統(tǒng)有

一個(gè)核心和位于各層上的若干進(jìn)

程組成。

優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)程模塊的獨(dú)立性強(qiáng)、易

維護(hù)、易調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清

晰、形式整齊劃一。

缺點(diǎn)：由于系統(tǒng)中所有進(jìn)程的控

制轉(zhuǎn)移、通訊等任務(wù)全部交給系

統(tǒng)的核心去管理，要花費(fèi)一定的

代價(jià)。主要有：

1、每一個(gè)進(jìn)程必須設(shè)立進(jìn)程控制塊,

用以保留進(jìn)程的狀態(tài)信息，增加了內(nèi)

存開銷；

2、進(jìn)程之間的控制轉(zhuǎn)移、狀態(tài)保留

及信息傳送，均由核心管理，時(shí)間消

耗多，效率下降；

3、系統(tǒng)并發(fā)活動(dòng)過多，調(diào)度負(fù)擔(dān)過

重，且同步操作過于分散，易于造成

死鎖，影響了系統(tǒng)的安全性。

4、虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)

370虛擬機(jī)

系統(tǒng)調(diào)用

陷入

虛擬機(jī)思想的應(yīng)用：在奔騰CPU

上運(yùn)行老的MS-DOS程序。

Intel在奔騰芯片上提供了一個(gè)

虛擬8086模式，在此模式下，奔

騰機(jī)就像一臺(tái)8086計(jì)算機(jī)一樣

包括1M字節(jié)內(nèi)的16位尋址方式。

虛擬8086模式被Windows、OS/2

及其他操作系統(tǒng)用于運(yùn)行MS-DOS

程序。程序在虛擬8086模式下啟

動(dòng)，執(zhí)行一般的指令時(shí)它們?cè)诼?/p>

機(jī)上運(yùn)行。但是，當(dāng)一個(gè)程序試

圖陷入系統(tǒng)來執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用

時(shí)，或者試圖執(zhí)行受保護(hù)的I/O

操作時(shí)，將發(fā)生一條虛擬機(jī)監(jiān)控

程序的陷入

兩種設(shè)計(jì)方法：

第一種：MS-DOS本身被裝入虛擬

8086模式的地址空間，虛擬機(jī)僅

僅將該陷入傳回給DOS

第二種：虛擬機(jī)監(jiān)控程序僅僅捕

獲第一條陷入并自己執(zhí)行I/O操

作。

5、層次管程結(jié)構(gòu)

為了控制并發(fā)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜

性，使并發(fā)程序易于理解和易于

保證其正確性，人們?cè)谖∧K

組合結(jié)構(gòu)和進(jìn)程分層結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的

基礎(chǔ)上，不斷尋求一種抽象的概

念和嚴(yán)格的表示法，從而發(fā)展了

以數(shù)據(jù)為中心的模塊概念和操作

系統(tǒng)的層次管程結(jié)構(gòu)。

管程的提出

采用PV同步機(jī)制來編寫并發(fā)程序,

對(duì)于共享變量及信號(hào)量變量的操

作將被分散于各個(gè)進(jìn)程當(dāng)中。

其缺點(diǎn)是（1）易讀性差,因?yàn)?/p>

要了解對(duì)于一組共享變量及信號(hào)

量的操作是否正確，則必須通讀

整個(gè)系統(tǒng)或者并發(fā)程序

(2)不利于修改和維護(hù)，因?yàn)?/p>

程序的局部性很差，所以任一組

變量或一段代碼的修改都可能影

響全局;

(3)正確性難以保證，因?yàn)椴?/p>

作系統(tǒng)或并發(fā)程序通常很大，要

保證這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)沒有邏

輯4^^是腳隹的o

管程：一種同步機(jī)制

（管程-類程-進(jìn)程）

管程定義：指關(guān)于共享資源的數(shù)

據(jù)及在其上操作的一組過程或共

享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其規(guī)定的所有操作

系統(tǒng)按資源管理的觀點(diǎn)分解成若

干模塊，用數(shù)據(jù)表示抽象系統(tǒng)資源,

同時(shí)分析了共享資源和專用資源在

管理上的差別，按不同的管理方式

定義模塊的類型和結(jié)構(gòu)，使同步操

作相對(duì)集中，從而增加了模塊的相

對(duì)獨(dú)立性。

從功能和實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的觀點(diǎn)出發(fā)，從系統(tǒng)

中提煉出管程、類程、一般模塊和進(jìn)程等

幾種基本成分，使一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可分解

為由這幾種基本成分構(gòu)成的模型。同時(shí)，

在分解和提煉這些模塊的基礎(chǔ)上，將它們

按照一定的準(zhǔn)則編入各層，包括核心在內(nèi)

核心是最內(nèi)層，可看成是管理中央處理機(jī)

的一個(gè)專門管程。最外層是反映系統(tǒng)并發(fā)

度的若干管程、類程和一般模塊。我們稱

操作系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)為層次管程結(jié)構(gòu)，這

種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法為PCM方法。

層次管程結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)結(jié)構(gòu)清晰統(tǒng)一

(2)同步操作相對(duì)集中，增加了系

統(tǒng)的安全性

(3)用高級(jí)語言書寫程序，可以縮

短系統(tǒng)的研制周期，利用編譯時(shí)的檢查

取代硬件保護(hù)機(jī)構(gòu)，不僅更加靈活，而

且降低了運(yùn)行時(shí)檢查的開銷

(4)由于只有進(jìn)程是系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行

的單位，因此可以按照系統(tǒng)要求的并發(fā)

度來設(shè)置進(jìn)程。由于去掉了不必票的平

行性，從而減少了系統(tǒng)開銷

層次管程結(jié)構(gòu)的局限性主要有兩點(diǎn)：

第一，由于管程概念的一個(gè)重要特征

是保證模塊內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性，因而，為

了保證每一個(gè)管程所管理的數(shù)據(jù)的完整

性，可以采用局部互斥技術(shù)，或用縮小

臨界區(qū)的辦法。但在解決任意管程嵌套

調(diào)用問題時(shí)，僅是局部互斥就難于實(shí)現(xiàn)

了，就要根據(jù)具體情況，或者采用全局

互斥，或者采用限制嵌套類型與重?cái)?shù)等

策略，這些都限制了使用范圍。

第二，雖然資源管理的局部化增

加了模塊的獨(dú)立性和系統(tǒng)的安全

性，但對(duì)全局性資源，或者同時(shí)

涉及多個(gè)資源的管理時(shí)就不方便

了，這也是引起管程嵌套調(diào)用的

一個(gè)因素。

管程：記錄、協(xié)調(diào)各進(jìn)程對(duì)臨界資

源的使用要求，供進(jìn)程實(shí)現(xiàn)同步

與互斥，并完成對(duì)共享變量的修

改

類程：指一個(gè)專用（獨(dú)占）的數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)，以及在此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上定義

的所有

進(jìn)程：執(zhí)行單位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中并發(fā)

工作的基本成分

6、客戶-服務(wù)器結(jié)構(gòu)

微內(nèi)核

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個(gè)趨勢(shì)，

將傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的大部分代碼分

離出來放在更高的層次上。即從

操作系統(tǒng)中去掉盡可能多的東西,

而只留一個(gè)最小的核心

通常的實(shí)現(xiàn)方法是將大多數(shù)操作系

統(tǒng)功能由用戶進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)

核心的全部工作是處理客戶與服務(wù)

器間的通信。操作系統(tǒng)被分割成許

多部分，每一部分只處理一方面的

功能，如文件服務(wù)、進(jìn)程服務(wù)、終

端服務(wù)或存儲(chǔ)器服務(wù)

在微內(nèi)核之上建有應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境

的服務(wù)器（WorkspaceOS稱之為個(gè)

性服務(wù)器，WindowsNT稱之為保護(hù)

子系統(tǒng)），微內(nèi)核操作系統(tǒng)可以提

供多種OS運(yùn)行環(huán)境

微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo):

為構(gòu)造其他操作系統(tǒng)提供基礎(chǔ)

支持大而稀疏的空間

能透明地使用網(wǎng)絡(luò)資源

在系統(tǒng)一級(jí)和應(yīng)用一級(jí)均可拓展

并行性

高度的可移植性

途徑:

1把傳統(tǒng)意義上屬于操作系統(tǒng)的代

碼由低層移向高層，由核心移向

用戶，要增加新功能僅需加結(jié)點(diǎn)

2消息傳送機(jī)制

Client/Server

Client模塊：采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行完整

性檢查，將服務(wù)要求通過消息傳

送給命名的模塊

Service模塊：從Client端接受數(shù)據(jù)

和要求，進(jìn)行處理，返回處理結(jié)

果

Server:命名的Service集合

對(duì)分布式、網(wǎng)絡(luò)式系統(tǒng)很適應(yīng)

特點(diǎn)：每一部分變得很小，更易

于管理。而且,于所有服務(wù)器以

用戶進(jìn)程的形式運(yùn)行，而不是運(yùn)行

在核心態(tài)，所以它們不直接訪問硬

件。這樣處理的結(jié)果是：假如在文

件服務(wù)器中發(fā)生錯(cuò)誤，文件服務(wù)器

可能崩潰，但不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的

崩潰

客戶一服務(wù)器模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)

是它適用于分布式系統(tǒng)，如果一

個(gè)客戶通過消息傳遞與服務(wù)器通

信，客戶無需知道這條消息是在

本機(jī)處理還是通過網(wǎng)絡(luò)送給遠(yuǎn)程

機(jī)器上的服務(wù)器

優(yōu)點(diǎn):

易于擴(kuò)充，易于移植

提高系統(tǒng)的可靠性

提供多種操作環(huán)境

適宜于分布計(jì)算模式

有助于多處理器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

支持實(shí)時(shí)任務(wù)

缺點(diǎn):

消息傳遞方式增加開銷，使響

應(yīng)變慢

幾個(gè)商品化系統(tǒng)：

NextStepXINU,0SF/11.3,

WorkspaceOS,Chorus/MixV.4

MacG3,WindowsNT,QNX,CTOS

基于微內(nèi)核的開放式系統(tǒng)環(huán)境

應(yīng)用程序

DOS服務(wù)器UNI服務(wù)器VMS服務(wù)器OS/2服務(wù)器

微內(nèi)核操作系統(tǒng)

系統(tǒng)程序接口應(yīng)用程序接口

(SPI)(API)

客戶服務(wù)器模型

客戶向服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送

消息，以獲得服務(wù)

一個(gè)分布式系統(tǒng)中的客戶服務(wù)器模型

功能：管理下列抽象資源

進(jìn)程、線程、存儲(chǔ)對(duì)象、端口、

消息

進(jìn)程：一個(gè)被動(dòng)成分，是可以發(fā)

生一次執(zhí)行的基本環(huán)境，包括一

個(gè)可編址的空間，幾個(gè)線程；是

分配資源的基本單位，進(jìn)程中可

以擁有一些活動(dòng)成分

線程：系統(tǒng)中可以執(zhí)行的實(shí)體，

每個(gè)線程有一個(gè)程序指針及若干

個(gè)與之相關(guān)的寄存器，是進(jìn)程的

一部分

存儲(chǔ)對(duì)象：是一個(gè)可映射到進(jìn)程

編址空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)對(duì)象

可以是擁有若干頁面的頁框；進(jìn)

程運(yùn)行時(shí)可能由于一個(gè)存儲(chǔ)對(duì)象

不在而缺頁，此時(shí)由核心向服務(wù)

器發(fā)消息，要求服務(wù)

端口：受保護(hù)的信箱，附加了權(quán)

限。端口在核心中，可由進(jìn)程創(chuàng)

建，由進(jìn)程擁有；處理消息的排

隊(duì)；創(chuàng)建端口的進(jìn)程可授權(quán)其他

進(jìn)程使用端口；一個(gè)進(jìn)程可以有

幾個(gè)端口，用于與核心通信

進(jìn)程管理:

進(jìn)程是微內(nèi)核管理的資源之一,

功能是管理進(jìn)程和線程，以及對(duì)

線程調(diào)度

進(jìn)程：微內(nèi)核中進(jìn)程是被動(dòng)的，為

線程提供活動(dòng)舞臺(tái)由編址空間、

一組線程、多個(gè)端口和其他成分

組成

進(jìn)程端口用來提供進(jìn)程和核心的

通信（系統(tǒng)調(diào)用在微內(nèi)核中仍保

留，單2數(shù)目下降），進(jìn)程通過端

口與核心聯(lián)絡(luò)

初始端口用于進(jìn)程初始化

例外端口用于向進(jìn)程報(bào)錯(cuò)

寄存器端口共進(jìn)程與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

Server通信

在微內(nèi)核中端口是受保護(hù)的信箱,

是單向的，若要應(yīng)答，需要兩個(gè)

端口

其他：掛起的指針，獨(dú)立于線程的狀態(tài)

（兩種狀態(tài)：可執(zhí)行態(tài)，掛起態(tài)）；若

處于可執(zhí)行態(tài)，它的處于可執(zhí)行態(tài)的線

程可被調(diào)度和執(zhí)行；進(jìn)程處于阻塞態(tài)，

它的線程均不可執(zhí)行；調(diào)度參數(shù)主要指

示此進(jìn)程可在那些處理機(jī)上執(zhí)行（分布

式系統(tǒng)）；優(yōu)先數(shù)，在進(jìn)程創(chuàng)建線程時(shí)

賦予線程；仿真地址是用于向核心指示

進(jìn)程空間中放仿真的地址，有的進(jìn)程就

是用于仿真一定的操作系統(tǒng)的；統(tǒng)計(jì)部

件用于統(tǒng)計(jì)各部件的利用率等

線程：微內(nèi)核中的活動(dòng)實(shí)體，一

個(gè)線程只屬于一個(gè)進(jìn)程，線程共

享進(jìn)程的地址空間和進(jìn)程的資源

線程本身也有其私有資源，如端

口，亦可動(dòng)態(tài)創(chuàng)建端口

線程由核心管理，可并行；在單

CPU中，往往采用分時(shí)方式，在

多CPU中，有幾個(gè)線程可以同時(shí)

運(yùn)行，同步、互斥、調(diào)度變得更

為重要，正確性、安全性更為