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1、第21卷第4期重庆工商大学学报(自然科学版)2004年8月Vol.21No.4JChongqingTechnolBusinessUniv.(NatSciEd)Aug.2004 文章编号:1672-058X(2004)04-0376-04浅析操作系统内核体系结构熊安萍,蒋 溢(重庆邮电学院计算机系,重庆400065)摘 要:操作系统内核是整个计算机系统的核心,负责管理整个计算机系统的资源及控制系统的运行,而操作系统内核的不同实现又会影响整个系统的高效运行,从体系结构的角度出发,对UNIX、Linux、Windows
2、2000等3种操作系统内核结构进行了较为详细的分析,并对它们的内核结构进行了比较。关键词:操作系统;体系结构;UNIX;Linux;Windows2000中图分类号:TP316.2 文献标识码:A操作系统在整个计算机体系结构中处于裸机的上一层,也是第一层软件,是计算机系统的核心软件,它负责管理整个计算机系统的各种软、硬件资源,合理组织工作流程,并为用户提供方便使用的接口。那么,操作系统本身是如何组织的呢?这则是操作系统体系结构解决的问题,不同体系结构的操作系统,又具有不同的实现及特点。1 操作系统体系结构概述
3、从操作系统的发展来看,采用的体系结构一般有4种:(1)整体结构。实质上是没有结构,整个操作系统由若干的具有一定独立功能的过程组成,过程和过程之间可以根据需要按事先定义的接口相互进行调用。这种结构虽然简单,但不利于操作系统的功能扩充。当用户程序请求系统服务时,进行系统调用,这时,系统工作状态从用户态转到核心态,接着核心根据系统调用的参数决定调用的系统服务过程,这个系统服务过程有可能还需要调用多个其他的系统公用例程,从而完成用户请求的服务。(2)分层结构。操作系统按一定的功能模块分层组织,最高层为用户程序,最底层为处理
4、机调度及实现多道程序,并且下一层是相邻上一层的基础,层与层之间有严格的接口定义,只在相邻层之间发生交互。这样组织的好处在于有利于操作系统的设计与实现,但困难之处在于每一层的划分不易,并且效率不如其他的结构好,由于相邻层间有很多交互,安全性很难得到保证。当用户程序进行系统调用时,如果请求的是较低层的服务,则这个系统调用会从最高层往下逐层进行相应的调用,每经过一层,参数都会被重新封装,直到能够完成相应功能的那层调用,最终实现系统服务。(3)虚拟机结构。这种结构更倾向于是一种技术即虚拟机技术。它以运行在裸机上的核心软件(
5、虚拟机监控软件/或某一种操作系统)为基础,向上提供虚拟机的功能,每个虚拟机都像是裸机硬件的一个拷贝。在不同的虚拟机上可以安装不同的操作系统。这样的系统可以有更好的兼容性和安全性,例如在网络应用中,只要装上Java虚拟机,就可以非常方便地运行Java的字节代码。当应用程序在虚拟机上运行并进行系统调用时,先由虚拟机的用户态转入虚拟机核心态,再进一步向虚拟机监控软件发出正常的系统调用加以执行,从而完成用户程序的服务请求。收稿日期:2004-02-16;修回日期:2004-04-02。作者简介:熊安萍(1970-),女,四
6、川泸县人,讲师,从事操作系统课程的教学与研究。第4期 熊安萍等:浅析操作系统内核体系结构377(4)C/S结构(微内核结构)。这是基于网络的一种内核结构,适用于分布式操作系统的设计,而在单个计算机中,也可称作微内核结构。这种结构的思想是尽量减小运行于核心态下的内核,将操作系统的一些传统功能作为服务器进程在用户态下运行,内核更多的是在多个服务器进程间以及用户进程与服务器进程间进行消息传递。这样的系统具有更好的可扩展性、可移植性、可靠性及灵活性,由于消息传递需要时间,所以比单内核系统速度慢些。
7、当用户进程进行系统调用请求系统服务时,用户进程转入核心态运行,此时,内核将用户的请求以消息的形式发送给相应的服务器进程,并将服务器进程返回的信息以消息的形式传送给用户进程。2 传统UNIX的体系结构传统的UNIX内核采用整体式体系结构,用模块结构加以实现,其内核结构如图1所示。用户可以直接通过系统调用或库函数调用请求操作系统内核服务,即由系统调用接口提供对高层软件的支持,而在内核的最底层模块则提供与硬件交互的接口。在两个接口中间有两个重要的子系统:进程控制和文件管理,其中,进程控制子系统除对进程本身进行创建,阻塞,
8、撤销,唤醒等控制外,还包含了进程高级,低级通信,处理机调度及存储管理等功能模块;而文件管理子系统除实现本身的文件管理的功能外,还包含I/O管理模块,当然,要实现I/O功能,还需要相应的设备驱动程序的支持。这样的整体式内核,具有惟一地址空间,并且整个内核作为一个单独的进程运行,内核的所有功能模块都可以访问内部的所有数据结构及例程,如果操作系统的任何部分有所改变
