操作系统体系结构的研究分析

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1、万方数据计算机科学2005V01．32No．9操作系统体系结构的研究分析*)石进陆音谢立(南京大学计算机科学与技术系计算机软件新技术国家重点实验室南京210093)摘要操作系统是计算机中最基本的系统软件，它控制计算机的所有资源并提供应用程序开发的基础。本文介绍了几种主要的计算机操作系统体系结构，并分析和比较了它们的优缺点，最后还介绍了操作系统体系结构目前研究趋势。关键词操作系统，体系结构，内核ResearchOHOperatingSystemArchitecturesSHIJinLUYinXIELi(StateKeyLaborato

2、ry{orNovelSoftwareTechnology，Departmentofcomputerscienceandtechnology，NamingUniversity，Naming210093)AbstractOperatingsystemisthemostessentialsystemsoftwareincomputer，whichcontrolsallresourcesofcomput—erandprovidesthefoundationforapplicationsdevelopment．Weintroducesomeb

3、asicarchitecturesofcomputeroperat—ingsystem，andanalyzetheirrelativemerits．Theprogressdirectionofoperatingsystemarchitectureresearchisde—scribedinthelastofthepapenKeywordsOperatingsystem，Architecture，Kernel1引言操作系统是计算机中最基本的系统软件，它控制计算机的所有资源并提供应用程序开发的基础。从不同的角度来看，操作系统所表现的形式

4、是不同的。从用户的角度看，操作系统所体现是它所提供的各式各样的服务；从程序员的角度来看，操作系统体现的是提供给用户的界面和接口；而从设计人员的角度来看，操作系统又是一大堆模块和它们之间的相互联系，即操作系统的体系结构[1]。实际上，建造一个新的操作系统最主要的任务就是体系结构的设计。随着计算机体系结构和计算模式的发展，它从最初的简单控制循环体的形式发展到复杂的分布式操作系统，用户对操作系统的需求也呈现出了多样化的趋势，现代操作系统已经发展成了最为复杂、最为庞大的软件系统之一。然而软件工程的研究与实践告诉我们，研究软件系统的体系结构对

5、于处理软件系统的复杂性有着重要的意义。操作系统从诞生之初到现在，已经有了几十年的历史，其间提出了多种操作系统体系结构。本文将依次介绍其中最具有代表性的操作系统结构，分析比较它们的优、缺点，并介绍了其研究趋势。2主要操作系统体系结构分析2．1简单结构系统简单结构系统主要产生在操作系统发展初期，由于受硬件平台的性能、软件工程技术水平的限制，当时的操作系统结构体现出来的实际上是没有清晰的整体结构，整个系统呈现一种“大杂烩”的局面。操作系统内核程序和用户应用程序混杂在一起，在同一个地址空间上运行(如图1)。图1简单结构操作系统示意图这些操作

6、系统往往是由很小的实验性的项目逐步演化而来的，因而宏观结构非常模糊，使用了早期的多入口、多出口、一个模块完成多个功能的粗模块方法，模块之间可以相互任意调用，整个系统实际上是一堆过程的集合。M§D()s就是一个很好的例子，在设计之初，M§D0s的设计目标是在比较有限的硬件资源上运行比较有限的应用程序，开发人员很可能都没有预料到它日后在市场上的巨大成功，因而模块之间的相对独立性几乎被忽略[2]。相似的情况也发生在UNIX家族之中。早期的UNⅨ因为受限于当时的硬件能力，也一直都是采用非常简单的、模糊的结构[3]。随着UNIX的不断发展这样

7、结构也很快成为了UNIX演进的瓶颈。其他采用这种简单结构的操作系统还包括PalmOS5及以前的PalmOS【：钆MacOS9及以前的MacOSc51、WindowsME及以前版本的Windows操作系统[2’6]，以及很多其他的小型的嵌人式操作系统[7]。2．2单体内核结构系统*)本课题得到江苏省科技攻关项目BE2002045资助。石进博．j研究生，研究方向为信息系统安全、安全操作系统。陆音博士研究生，研究方向信息系统安全。谢立教授，博士生导师，研究领域为信息系统安全，分布式操作系统等。·234·万方数据随着硬件平台的性能逐渐提高，

8、硬件的数量和种类也越来越多，操作系统也越来越复杂，它提供的功能也越来越多，逐渐地单体内核结构的操作系统开始出现，它通过一种称之为系统调用的API机制对外层的用户程序提供服务。通常情况下，单体结构内核提供的主要功能有：文件管理、设备驱动