第六讲 操作系统的运行模型.ppt

教学目标让学生理解三种操作系统的运行模型让学生了解Windows操作系统的运行模型教学重点三种操作系统运行模型教学难点理解三种操作系统运行模型操作系统本身是一组程序，也在处理器上运行，那么，操作系统程序是否组织成进程?它是如何控制的、怎样执行的呢?它在什么模式下运行呢?从操作系统的运行方式来看，可分成：1)非进程内核模型、2)OS功能(函数)在用户进程内执行的模型、3)OS功能(函数)作为进程执行的模型。注意：实际上，这里讨论的注意：实际上，这里讨论的操作系统的运行模型操作系统的运行模型操作系统的运行模型操作系统的运行模型，指指的的是实现操作系统的服务功能的模块的运行方式是实现操作系统的服务功能的模块的运行方式是实现操作系统的服务功能的模块的运行方式是实现操作系统的服务功能的模块的运行方式。根据操作系统的结构（单内核根据操作系统的结构（单内核根据操作系统的结构（单内核根据操作系统的结构（单内核/微内核）不同，实现这微内核）不同，实现这微内核）不同，实现这微内核）不同，实现这些服务功能的模块的位置也不同，可以在内核里，也些服务功能的模块的位置也不同，可以在内核里，也些服务功能的模块的位置也不同，可以在内核里，也些服务功能的模块的位置也不同，可以在内核里，也可以在内核外。可以在内核外。可以在内核外。可以在内核外。讨论操作系统的运行模型，就需要针对不同的情况分讨论操作系统的运行模型，就需要针对不同的情况分讨论操作系统的运行模型，就需要针对不同的情况分讨论操作系统的运行模型，就需要针对不同的情况分别讨论。别讨论。别讨论。别讨论。应用进程应用进程内核应用进程核心态用户态n早期操作系统的实现方式，系统的执行与应用进程不存在关联n内核具有独立的存储空间，也可以访问应用进程的空间。n在这种模式下，进程的概念仅仅是针对用户程序而言，操作系统代码作为一个独立实体在内核模式下运行。n内核函数不可以并发执行。核心态用户态内核函数内核函数内核函数应用进程应用进程进程切换函数应用进程为提高内核函数的并发行，在创建应用进程时，同时为其分配一个核心栈，用于运行操作系统的内核函数，形成操作系统在应用进程内执行的方式。大部分的操作系统功能组织成一组内核函数供应用程序调用，操作系统的地址空间位于共享地址空间中，不与应用程序的地址空间重叠，但被所有的应用进程共享。当发生一次中断或系统调用后，处理器状态将从用户态切换到核心态，控制权被传递给操作系统；此时，发生了模式切换，模式上下文（现场）信息被保存，但是进程上下文切换并没有发生，操作系统仍在该用户进程中执行。当操作系统的内核函数完成工作后，如果让当前进程继续运行，执行一次模式切换恢复执行原来被中断的用户进程。如果应该发生进程切换，控制权就被传递给操作系统的进程切换函数，实现进程切换，指派另一个就绪进程来占有处理器运行。核心：每一次中断时，操作系统的一个模块程序被执行，核心：每一次中断时，操作系统的一个模块程序被执行，然而这个执行过程依然从属于用户进程的执行过程然而这个执行过程依然从属于用户进程的执行过程。微内核（进程切换函数）应用进程OS函数用户态核心态应用进程OS函数应用进程OS函数nOS功能(函数)作为进程执行的模型把操作系统组织成一组系统把操作系统组织成一组系统进程，即操作系统功能是这些系统进程集合运行的结果，这些系进程，即操作系统功能是这些系统进程集合运行的结果，这些系统进程也称为服务器或服务器进程统进程也称为服务器或服务器进程，于是与用户进程或其他服务器进程之间构成了客户/服务器关系。Windows 2000/XP采用了这种结构。n核心：操作系统本身（除了内核之外）也作为几个进程工作，操作系统本身（除了内核之外）也作为几个进程工作，它可以接收用户进程的指令，向用户进程提供服务。它可以接收用户进程的指令，向用户进程提供服务。优点：首先，它采用了模块化的操作系统实现方法。其次，原来由内核实现的多种操作系统功能被组织成独立的进程，有利于操作系统的实现、配置和扩充。最后，这一结构在多处理器多计算机的环境下非常有效，一些操作系统服务可指派到专门处理器上执行。系统进程服务进程应用程序环境子系统 子系统动态链接库用户态核心态 执行体 核心 设备驱动程序 硬件抽象层图形引擎系统线程NTDLL.DLLService.exeRPCSpooler事件日志服务进程任务管理器IE浏览器用户程序子系统DLL应用程序POSIXOS2WIN32环境子系统服务管理器安全验证Win登录会话管理器系统进程核心态用户态Win32 UserGDI图形驱动器硬件抽象层(HAL)设备驱动程序内核对象管理器核心态可调用接口(执行程序API)系统服务调度进程I/O管理器文件缓存管理 进程线 程管理安全访问监视虚存管理局部过程调用注册表配置管理器电源管理器即插即用管理硬件接口（总线、I/O、时钟、计时器、中断、DMA、CACHE控制器）1）可扩充性：适应市场需求易于扩充和改动。2）可移植性：3）可靠性与坚固性：防止内部故障和外部侵扰。4）兼容性：与DOS、Windows旧版本兼容，与UNIX、OS2、Netware等其他操作系统互操作。5）高性能：Windows 20003设计者认为：采用整体式或层次式操作系统体系结构在可扩充性和可移植性方面效果不好；纯的微内核运算成本太高，不适用于商业。因而，Windows 2003把许多系统服务代码放在核心态运行，包括：文件服务、设备管理、图形引擎等。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。