操作系统的结构

清疚 2022-07-16 11:54 115阅读 0赞

研究一个[操作系统][Link 1]，或者说设计一个操作系统，需要从多个角度去了解操作系统。第一是通过考察所提供的服务（用户角度）；第二是通过考察为用户和程序员提供的接口（程序员角度）；第三是研究系统的各个组成部分及其相互关系（操作系统设计人员）。

主要内容：

\*操作系统为用户、进程和其他系统提供的服务；

\*组织操作系统的不同方法；

在本节介绍操作系统提供的服务和操作系统的设计和实现。

**1、操作系统服务**

操作系统提供一个环境以执行程序。它向程序和这些程序的用户提供服务。这些服务帮助用户更高效地完成任务，同时确保系统高效率运行。

\***用户界面（User Interface, UI****）**；

\***程序执行**：系统必须能将程序装入内存并运行程序。程序必须能结束执行，包括正常结束和部正常结束（指明错误）。

\***I/O****操作**：运行程序可能需要I/O，这些I/O可能涉及文件或设备。为了提高效率和进行保护，用户通常不能直接控制I/O。因此，操作系统必须提供进行I/O操作的方法。

\***文件系统操作**；

\***通信**：在许多情况下，一个进程需要与另一个进程交换信息。这种通信有两种主要形式。一种是发生在同一计算机（同一操作系统）运行的两个进程之间；另一种是运行在由网络连接起来的不同的计算机上的进程之间。通信可以通过共享内存来实现，也可通过消息交换技术来实现（对于消息交换，消息包通过操作系统在进程之间移动）。

\***错误检测**：操作系统需要知道可能出现的错误。错误可能发生在CPU或内存硬件（如内存错误或电源失败）、I/O设备（如网络连接出错、打印机缺纸）和用户程序中（如算术溢出、试图访问非法内存地址）。对于每种类型的错误，操作系统应该采取适当的动作以确保正确和一致的计算。

\***资源分配**：当同时有多个用户或多个作业运行时，系统必须为它们中的每一个分配资源。例如，为了更好地使用CPU，操作系统需要采用CPU调度[算法][Link 2]以考虑CPU的速度、必须执行的作业、可用的寄存器数和其他因素。

\***统计**：需要记录哪些用户使用了多少和什么类型的资源。

\***保护和安全**。

**A、操作系统的用户界面：**

\#命令行界面（Command-Line Interface, CLI），采用文本命令，并用一定方法输入。

命令解释程序（Shell）的主要作用是获取并执行用户指定的下一条命令。执行这些命令有两种常用方法。一种方法是命令解释程序本身包含代码以执行这些命令；另一种方法是由系统程序实现大多数命令，命令解释程序用命令来识别文件以装入内存（Unix系统）。

\#图形用户界面（Graphical User Interface），视窗系统，具有定位设备来指挥I/O、从菜单选择、选中部分并用键盘输入文本（像素Pixel）。

**B、系统调用：**

系统调用提供了操作系统提供的有效服务界面。由操作系统实现提供的所有系统调用所构成的集合即应用程序接口(Application Programming Interface，API)。一般应用程序开发人员根据API来设计程序。API是一系列适用于应用程序员的函数，包括传递给每个函数的参数及其返回的程序员想得到的值。有三种应用程序员常用的API：适用于Windows系统的Win32 API，适用于POSIX系统的POSIX API（包括几乎所有UNIX、[Linux][]、Max OSX版本），以及适用于运行于[Java][]虚拟机程序的Java API。

对于程序员，通过API操作系统接口的绝大多数细节被隐藏起来，并被执行支持库所管理。API、系统调用接口和操作系统之间的关系（处理一个Open()系统调用）：

![SouthEast][]

**向操作系统传递参数**的三种方法：

\*寄存器参数传递；

\*通过程序放入堆栈中；

\*采用块或堆栈的方法。

**C、系统调用类型：**

系统调用大致可以分为五大类：

**\*进程控制：**

\#结束，放弃

\#装入，执行

\#创建进程，终止进程

\#取得进程属性，设置进程属性

\#等待时间

\#等待事件，唤醒事件

\#分配和释放内存

**\*文件管理：**

\#创建文件，删除文件

\#打开，关闭

\#读、写、重定位

\#取得文件属性，设置文件属性

**\*设备管理：**

\#请求设备，释放设备

\#读、写、重定位

\#取得设备属性，设置设备属性

\#逻辑连接或断开设备

**\*信息维护：**

\#读取时间或日期，设置时间或日期

\#读取系统数据，设置系统数据

\#读取进程、文件或设备属性

\#设置进程、文件或设备属性

**\*通信：消息传递模型和共享内存模型**

\#创建、删除通信连接

\#发送、接收消息

\#传递状态消息

\#连接或断开远程设备

**D、系统程序：**

系统程序提供了一个方便的环境，以开发程序和执行程序。它们可以分为如下几类：

\*文件管理

\*状态信息：系统信息，详细的性能、登录和调试信息以及系统设置（如Windows注册表）。

\*文件修改

\*程序语言支持：常用程序设计程序语言的编译程序、汇编程序、调试程序和解释程序通常与操作系统一起提供给用户。

\*程序装入和执行：绝对加载程序，重定位加载程序，链接编辑器和覆盖式加载程序。

\*通信：提供在进程、用户和计算机系统之间创建虚拟连接的机制。

**2、操作系统设计和实现**

**A、设计目标：**

需求可以分为两个基本类：用户目标和系统目标。

用户目标：方便和容易使用，学习代价低，可靠安全快速。

系统目标：容易设计、实现和维护，灵活、可靠、高效且没有错误。

**B、机制（Mechanism）与策略（Policy）：**

机制决定如何做，策略决定做什么。Unix/Linux的接口设计有一句通用的格言“提供机制而不是策略”。操作系统的本质是什么？管理者？亦或服务者？但归根到底，操作系统是一个执行者。

执行用户程序，所谓为用户服务；执行中断，所谓为外设服务；系统调用，所谓为广大的程序员服务；执行内核线程，为操作系统自身服务。而这些所有，它们执行的核心，无非是在恰当的时机，让哪个对象（程序、线程、中断服务程序、中断的下半部分、系统调用）占有CPU。换句话说，Unix/Linux抽象出对这些对象的执行机制：

\*程序的执行机制——进程

\*内核函数的执行机制——线程

\*中断服务程序的执行机制——中断信号触发

\*中断下半部的执行机制——softirq, tasklet, 工作队列

\*系统调用的执行机制——软中断（0x80中断触发）

如果说机制是一种框架，那么，策略就是填充框架的一个个具体的实体。机制提供的是一种开放而宽松的环境，而策略就是在这个环境下赖以生存的生命个体。比如，我们编写的一个程序，fork()以后，就成为一个个进程的生命个体。而操作系统所提供给我们创建、执行以及结束进程的各种原语fork()、exec()、exit()等是统管各种进程的机制。我们所创建进程的死活并不会影响机制本身。

**C、实现：**使用高级语言来实现操作系统。通过改善[数据结构][Link 2]和算法来提高系统性能，同时监视系统性能，增加代码以计算并显示系统行为和测量。

[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/operatingsystem
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/datastructure
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[Java]: http://lib.csdn.net/base/javaee
[SouthEast]: /images/20220716/6da97a4bd0ec4136852659f59e894d68.png