Windows操作系統(tǒng).ppt

1、Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù),參考教材,尤晉元等，Windows操作系統(tǒng)原理，機(jī)械工業(yè)出版社，2001 David A. Solomon, Windows NT 技術(shù)內(nèi)幕，清華大學(xué)出版社，1999年7月,本課程內(nèi)容,含蓋操作系統(tǒng)原理課程的全部理論內(nèi)容以及Windows 2000/XP操作系統(tǒng)構(gòu)成的各個方面 10講的內(nèi)容依次是： 第1講 操作系統(tǒng)概述 第2講 Windows 2000XP 的體系結(jié)構(gòu) 第3講 進(jìn)程管理 第4講 存儲管理 第5講 文件系統(tǒng),第6講 I/O系統(tǒng) 第7講 網(wǎng)絡(luò) 第8講 windows安全 第9講 應(yīng)用程序設(shè)計 第10講 驅(qū)動程序設(shè)計,操作系統(tǒng)概述,發(fā)展與分類 計算機(jī)系

2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點 定義 按人的要求接收、存儲信息，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算，并輸出結(jié)果的機(jī)器系統(tǒng)。 特點 計算、判斷、存儲、精確、快速、通用、易用、聯(lián)網(wǎng) 組成 硬件、軟件,計算機(jī)系統(tǒng)概觀,計算機(jī)組織 指運(yùn)算器、存儲器、控制器、I/O部件間的相互連接 作為計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯和物理實現(xiàn)，任務(wù)是提高性價比，實現(xiàn)計算機(jī)在指令級的功能和特性； 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從程序設(shè)計人員角度看到的計算機(jī)屬性，處于機(jī)器語言級； 存儲程序原理 是了解計算機(jī)組織的關(guān)鍵 基于此構(gòu)造的計算機(jī)稱為存儲程序計算機(jī)（馮.諾伊曼機(jī)） 基本點：指令驅(qū)動， 即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存放在計算機(jī)存儲器中,地位：緊貼硬件之上，其它軟件之下，

3、是其他軟件的共同環(huán)境 定義：系統(tǒng)軟件，程序模塊的集合，資源管理和用戶接口功能,操作系統(tǒng)概念,操作系統(tǒng)特征,并發(fā)性 多程序同時推進(jìn) 單CPU環(huán)境 用戶程序之間、用戶程序與操作系統(tǒng)之間 多CPU環(huán)境 宏觀、微觀并發(fā) 分布式環(huán)境 多計算機(jī)并存 共享性 系統(tǒng)的各種資源共享 隨機(jī)性 運(yùn)行狀態(tài)不確定 要求操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)要充分考慮各種可能,操作系統(tǒng)作用,OS是計算機(jī)硬件、軟件資源的管理者 管理對象包括：CPU、存儲器、外部設(shè)備、信息（數(shù)據(jù)和軟件）； 管理的內(nèi)容：資源的當(dāng)前狀態(tài)（數(shù)量和使用情況）、資源的分配、回收和訪問操作，相應(yīng)管理策略（包括用戶權(quán)限）。,OS是用戶使用系統(tǒng)硬件、軟件的接口 系統(tǒng)命令（命令

4、行、菜單式、命令腳本式、圖形用戶接口GUI）； 系統(tǒng)調(diào)用（形式上類似于過程調(diào)用，在應(yīng)用編程中使用）。,OS是擴(kuò)展機(jī)(extended machine)/虛擬機(jī)(virtual machine)。 在裸機(jī)上添加：設(shè)備管理、文件管理、存儲管理（針對內(nèi)存和外存）、處理機(jī)管理（針對CPU）； 合理組織工作流程：作業(yè)管理、進(jìn)程管理。,幾項重要功能 進(jìn)程管理 主要是對處理器進(jìn)行管理 解決處理器實施分配調(diào)度策略； 協(xié)調(diào)多道程序間的關(guān)系 存儲管理 管理內(nèi)存資源 內(nèi)外存結(jié)合實現(xiàn)虛擬存儲器，解決內(nèi)存不夠問題 文件管理 信息資源以文件方式存放在外存 方便、安全的訪問 作業(yè)管理 為用戶提供使用機(jī)器的手段 設(shè)備管理 管

5、理所有I/O設(shè)備及其支持設(shè)備,引入操作系統(tǒng)的目標(biāo),有效性（系統(tǒng)管理人員的觀點） 管理和分配硬件、軟件資源，合理地組織計算機(jī)的工作流程 方便性（用戶的觀點） 提供良好的、一致的用戶接口，彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的類型和數(shù)量差別 可擴(kuò)充性（開放的觀點） 硬件的類型和規(guī)模、操作系統(tǒng)本身的功能和管理策略、多個系統(tǒng)之間的資源共享和互操作,操作系統(tǒng)歷史,主要討論操作系統(tǒng)的外部特征 發(fā)展動力 提高資源的利用率和系統(tǒng)性能：計算機(jī)發(fā)展的初期，計算機(jī)系統(tǒng)昂貴，用作集中計算 方便用戶：用戶上機(jī)、調(diào)試程序，分散計算時的事務(wù)處理和非專業(yè)用戶（商業(yè)和辦公、家庭） 器件的發(fā)展：CPU的位寬度（指令和數(shù)據(jù)）、快速外存,手工操作 集中計算

6、（計算中心），計算機(jī)資源昂貴； 用戶既是程序員，又是操作員；用戶是計算機(jī)專業(yè)人員； 編程語言：為機(jī)器語言； 輸入輸出：紙帶或卡片； 工作特點 用戶獨占全機(jī)：不出現(xiàn)資源被其他用戶占用，資源利用率低； CPU等待用戶：計算前，手工裝入紙帶或卡片；計算完成后，手工卸取紙帶或卡片；CPU利用率低； 提高效率的途徑 專門的操作員，批處理,批處理系統(tǒng) 利用磁帶把若干個作業(yè)分類編成作業(yè)執(zhí)行序列，每個批作業(yè)由一個專門的監(jiān)督程序（Monitor）自動依次處理?？墒褂脜R編語言開發(fā)。 批處理中的作業(yè)的組成：用戶程序、數(shù)據(jù)、作業(yè)說明書（作業(yè)控制語言） 監(jiān)督程序發(fā)展為執(zhí)行系統(tǒng)(executive system)，常駐內(nèi)

7、存 主要問題 CPU和I/O設(shè)備使用忙閑不均（取決于當(dāng)前作業(yè)的特性）。 對計算為主的作業(yè)，外設(shè)空閑； 對I/O為主的作業(yè)，CPU空閑；,多道批處理系統(tǒng) 利用多道批處理提高資源的利用率。 多道批處理的運(yùn)行特征 多道：內(nèi)存中同時存放幾個作業(yè)； 宏觀上并行運(yùn)行：都處于運(yùn)行狀態(tài)，但都未運(yùn)行完； 微觀上串行運(yùn)行：各作業(yè)交替使用CPU； 優(yōu)點： 資源利用率高：CPU和內(nèi)存利用率較高； 作業(yè)吞吐量大：單位時間內(nèi)完成的工作總量大； 缺點： 用戶交互性差：整個作業(yè)完成后或中間出錯時，才與用戶交互，不利于調(diào)試和修改； 作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時間長：短作業(yè)的周轉(zhuǎn)時間顯著增長；,分時系統(tǒng) “分時”的含義分時是指多個用戶分享使用

8、同一臺計算機(jī)。多個程序分時共享硬件和軟件資源。 多個用戶分時：單個用戶使用計算機(jī)的效率低，因而允許多個應(yīng)用程序同時在內(nèi)存中，分別服務(wù)于不同的用戶。有用戶輸入時由CPU執(zhí)行，處理完一次用戶輸入后程序暫停，等待下一次用戶輸入時走時停 前臺和后臺程序分時：后臺程序不占用終端輸入輸出，不與用戶交互現(xiàn)在的圖形用戶界面(GUI)，除當(dāng)前交互的程序(輸入焦點)之外，其他程序均作為后臺 通常按時間片(time slice)分配：各個程序在CPU上執(zhí)行的輪換時間。,批處理： 交互性差提高對CPU利用率； 分時處理：用戶與應(yīng)用程序隨時交互，控制程序運(yùn)行，適于商業(yè)和辦公事務(wù) 處理縮短響應(yīng)時間,用高級語言書寫OS U

9、nix 特色不兼容，一直困難。 可移植OS標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)：POSIX、SVID、XPG 通用OS 面向個人應(yīng)用 WINDOWS, LINUX 兩大發(fā)展方向：宏觀、微觀 宏觀：大規(guī)模，分布式 微觀：嵌入式,操作系統(tǒng)分類,批處理(Batch Processing Operation System) 分時(Time Sharing Operating System) 實時 (Real Time Operating System) 多處理 (Multi-processor Operating System) 嵌入式 (Embedded OS) 個人計算機(jī)OS (Personal OS) NOS(Networ

10、k Operating System) 分布式OS(Distributed OS),批處理系統(tǒng)中作業(yè)處理及狀態(tài),單道(uniprogramming)和多道批處理的比較,多道程序系統(tǒng)和多處理系統(tǒng)(multiprocessing system)的區(qū)別：前者指多個程序同時在內(nèi)存中交替運(yùn)行，后者指多個處理器。,分時系統(tǒng)的特征,多路性：多個用戶同時工作。 共享系統(tǒng)資源，提高了資源利用率。 節(jié)省維護(hù)開支，可靠性高：笨終端至今仍在使用。 促進(jìn)了計算機(jī)的普遍應(yīng)用，提高資源利用率：遠(yuǎn)地用戶通過終端（較便宜）聯(lián)機(jī)使用。 獨立性：各用戶獨立操作，互不干擾。 交互性：系統(tǒng)能及時對用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)，顯著提高調(diào)試和修改

11、程序的效率：縮短了周轉(zhuǎn)時間。,分時系統(tǒng)的主要問題,及時接受輸入：多個I/O端口，設(shè)立多路緩沖區(qū) 及時響應(yīng)： 提高對換速度（快速外存）、 限制用戶數(shù)目、 縮短時間片（可能引起對換次數(shù)增多，開銷增大，程序總運(yùn)行時間增大） 減少對換信息量： 可重入代碼(re-entrant code)； 請求頁式存儲管理：只對換部分程序,實時系統(tǒng)的特征 實時時鐘管理：提供系統(tǒng)日期和時間、定時和延時等時鐘管理功能； 過載保護(hù)：緩沖區(qū)排隊，丟棄某些任務(wù)，動態(tài)調(diào)整任務(wù)周期； 過載是指進(jìn)入系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)目超出系統(tǒng)的處理能力。 高度可靠性和安全性：容錯能力（如故障自動復(fù)位）和冗余備份（雙機(jī)，關(guān)鍵部件）；,實時操作系統(tǒng)主要用于過

12、程控制、事務(wù)處理等有實時要求的領(lǐng)域，其主要特征是實時性和可靠性。,實時操作系統(tǒng),實時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)和分時系統(tǒng)的區(qū)別,專用系統(tǒng)：許多實時系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，而批處理與分時系統(tǒng)通常是通用系統(tǒng)。 實時控制：實時系統(tǒng)用于控制實時過程，要求對外部事件的迅速響應(yīng)，具有較強(qiáng)的中斷處理機(jī)構(gòu)。 高可靠性：實時系統(tǒng)用于控制重要過程，要求高度可靠，具有較高冗余。如雙機(jī)系統(tǒng)。 事件驅(qū)動和隊列驅(qū)動：實時系統(tǒng)的工作方式：接受外部消息，分析消息，調(diào)用相應(yīng)處理程序進(jìn)行處理。 可與通用系統(tǒng)結(jié)合成通用實時系統(tǒng)：實時處理前臺作業(yè)，批處理為后臺作業(yè)。,多處理操作系統(tǒng),非對稱式多處理(Asymmetric Multiprocessing

13、, ASMP)：又稱主從模式(Master-slave mode)。 主處理器：只有一個，運(yùn)行OS。管理整個系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)； 從處理器：可有多個，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。 特點：不同性質(zhì)任務(wù)的負(fù)載不均，可靠性不夠高，不易移植（通常要求硬件也是非對稱）。 對稱式多處理(Symmetric Multiprocessing, SMP) OS交替在各個處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為平均，性能調(diào)節(jié)容易傻瓜式,對稱多處理機(jī)與非對稱多處理機(jī)的比較,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),在通用操作系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)為網(wǎng)上計算機(jī)進(jìn)行方便而有效的網(wǎng)絡(luò)資源共享，提供網(wǎng)絡(luò)用戶所需

14、各種服務(wù)的軟件和相關(guān)規(guī)程的集合 網(wǎng)絡(luò)功能與操作系統(tǒng)的結(jié)合程度是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要性能指標(biāo) 早期作法是通用操作系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)軟件，過渡到網(wǎng)絡(luò)功能成為操作系統(tǒng)的有機(jī)組成部分 區(qū)別：網(wǎng)絡(luò)功能的強(qiáng)弱、使用是否方便,例,MS OS: MS DOS, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 UNIX: BSD, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux NOS: Novell Netware RTOS: VxWorks, pSoS, Nucleus,研究操作系統(tǒng)的幾種觀點,軟件觀點 外在特性： 命令集、界面 內(nèi)在特性：具有一

15、般軟件不具備的特殊結(jié)構(gòu) 資源管理觀點 分配、回收、競爭、保護(hù) 進(jìn)程觀點 將操作系統(tǒng)當(dāng)作若干個可同時獨立運(yùn)行的程序-進(jìn)程 虛擬機(jī) 屏蔽硬件，多個層次 服務(wù)提供者 用戶角度,Windows操作系統(tǒng)歷程 開發(fā)過程 版本及其特點 Win3x Win9x Win2000 Winxp ,http:/www.winhistory.de/more/win1.htm, Windows 1.X(1985年11月) 已有多窗口輸出、多任務(wù)處理功能、初步具有圖形界面； Windows 2.X(1987年11月) 具有圖形界面，而且已具有Windows 3.1的系統(tǒng)原型。如應(yīng)用程序的添加、支持磁盤擴(kuò)充、支持多種外設(shè)接口

16、等，開始受到外界的重視與關(guān)注； Windows /286 V2.1及Windows /386 V2.1 (1988,1989年)因當(dāng)時Windows的速度過慢而仍未普及，故推出此版本，修正核心程序(如：I/O、內(nèi)存、CPU等的控制)并以結(jié)構(gòu)化語言改寫使得速度大幅提升； Windows 3.0英文版(1990年5月)除了改正Windows 2.X版的錯誤外，使得圖形用戶界面正式進(jìn)入個人PC的領(lǐng)域；擁有真正GUI的操作系統(tǒng)；除此之外，還提供一個非常完善的用戶環(huán)境。增強(qiáng)了多任務(wù)處理、GUI、存儲管理等能力；, Windows 3.0中文版(1991年7月31日) ，中文化的操作界面，主要添加了中文輸

17、入法及漢字庫的支持； Windows 95英文版(1992年4月) Windows 95中文版(1993年8月)除英文版功能外，還新增如多顯卡支持、打印機(jī)驅(qū)動、兼容性與穩(wěn)定性等。 Windows 95中文版新特性(1995年8月) 真正32位的操作系統(tǒng) 全新的工作桌面 支持長文件名 支持硬件的即插即用 32位可搶先( Preemptive ) 多任務(wù)系統(tǒng) 全新的多媒體享受 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持 更友好的安裝、操作界面,Windows1.01,Windows1.02,Windows1.03,Windows 2.xx,Windows NT體系結(jié)構(gòu),Windows 2000的特點,支持對稱多處理機(jī) 真正的

18、32位操作系統(tǒng)：除16位應(yīng)用的支持代碼，沒有16位的代碼；兼容16位Windows應(yīng)用 完全的代碼可重入(reentrant)：同一段代碼可由多個應(yīng)用同時訪問； 圖形用戶界面GUI（和字符用戶界面）,搶先式多任務(wù)和多線程 虛擬存儲：段頁式(有存儲保護(hù)) 文件系統(tǒng)：NTFS(HPFS)，支持安全控制 設(shè)備驅(qū)動程序：VxD(virtual driver) 可移植：適用于多種硬件平臺 容錯能力 面向?qū)ο筇匦裕河脤ο髞肀硎舅匈Y源。,Windows 2000/XP的體系結(jié)構(gòu),本章要點,操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo) 操作系統(tǒng)的設(shè)計階段 幾種常見的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)范型 Windows 2000/XP的操作系統(tǒng)模型

19、Windows 2000/XP的體系結(jié)構(gòu) Windows 2000/XP的重要組成部分 Windows 2000/XP的系統(tǒng)機(jī)制 Windows 2000/XP注冊表、服務(wù)控制與管理機(jī)制,操作系統(tǒng)的設(shè)計問題,操作系統(tǒng)設(shè)計有著不同于一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的特征 復(fù)雜程度高 研制周期長 正確性難以保證 解決途徑 良好的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 先進(jìn)的開發(fā)方法和工程化的管理方法 高效的開發(fā)工具,操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo),可靠性：正確性和健壯性， 主要指并發(fā)、共享及其引起的不確定性 高效性：提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率 易維護(hù)性：易讀、易擴(kuò)充、易剪裁、易修改性 易移植性：一次開發(fā)，多處使用 安全性：計算機(jī)軟件系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ) 可適應(yīng)性

20、 簡明性,Windows 2000/XP的設(shè)計目標(biāo),總原則：市場需求 驅(qū)動 設(shè)計目標(biāo) 需求： 提供一個真32位搶占式可重入的虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng) 能夠在多種硬件體系結(jié)構(gòu)和平臺上運(yùn)行 能夠在對稱多處理系統(tǒng)上運(yùn)行并具有良好的可伸縮性 優(yōu)秀的分布式計算平臺，既可作為網(wǎng)絡(luò)客戶，又可作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 可運(yùn)行多數(shù)現(xiàn)有16位MS-DOS和Microsoft Windows 3.1 應(yīng)用程序 符合對POSLX 1003.1的要求 符合政府和企業(yè)對操作系統(tǒng)安全性的要求 支持Unicode，適應(yīng)全球市場的需要,Windows 2000/XP的設(shè)計目標(biāo)： 可擴(kuò)充性 可移植性 可靠性及堅固性 兼容性 性能,操作系統(tǒng)的設(shè)計考

21、慮,功能設(shè)計：操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些功能 算法設(shè)計：選擇和設(shè)計滿足系統(tǒng)功能的算法和策略，并分析和估算其效能 結(jié)構(gòu)設(shè)計：選擇合適的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,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、簡單、可靠、易讀、易修改，而且使用方便，適應(yīng)性強(qiáng),操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)問題,程序結(jié)構(gòu) 程序結(jié)構(gòu)的兩層含義： 整體結(jié)構(gòu)、局部結(jié)構(gòu) 程序的結(jié)構(gòu)良好的準(zhǔn)則 軟件結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 大型軟件，模塊劃分、接口定義復(fù)雜 并發(fā)性，接口復(fù)雜、信息交換頻繁 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，應(yīng)用擴(kuò)大、使用要求提高使得操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,幾種常見的操作

22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模塊組合結(jié)構(gòu) 模塊組合結(jié)構(gòu)的特點與適應(yīng)性 模塊間轉(zhuǎn)接隨便 數(shù)據(jù)基本上作為全程量處理 常常關(guān)中斷，系統(tǒng)的并發(fā)性難以提高,層次結(jié)構(gòu) 層次結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的核心思想 例如E.W.Dijkstra的THE系統(tǒng)：,分層原則 與硬件相關(guān)的最底層 計算機(jī)具有多操作方式多操作方式共有的基本部分放在內(nèi)層，具體操作方式相關(guān)的方在外層； OS基于進(jìn)程的概念，內(nèi)核放在內(nèi)層；內(nèi)層中又分多層，公用功能在最內(nèi)層。,層次結(jié)構(gòu)的特點 分解成許多功能單一的模塊，各模塊之間有清晰的組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系 具有更高的可讀性和可適應(yīng)性 層次結(jié)構(gòu)是單向依賴的，上層模塊建立在下層基礎(chǔ)上，設(shè)計了比較可靠的基礎(chǔ) 很容易增加或替換掉一層而不影

23、響其它層次 便于修改、擴(kuò)充,層次結(jié)構(gòu)的層間關(guān)系,全序：同層模塊不互相調(diào)用，各層簡單向 半序：有循環(huán),進(jìn)程分層結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)代價較大： 必須設(shè)立一個進(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 進(jìn)程之間的控制轉(zhuǎn)移、狀態(tài)保留及信息傳送，均由核心去管理，時間消耗多，效率下降 系統(tǒng)并發(fā)活動過多，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,層次結(jié)構(gòu)的兩種類型,層次管程結(jié)構(gòu) 進(jìn)程：并發(fā)單位 類程：專用資源的抽象 管程：共享資源的抽象 一個動態(tài)的系統(tǒng)由內(nèi)核和一組有限個滿足規(guī)定調(diào)用關(guān)系的進(jìn)程P、類程C和管程M構(gòu)成。 其中進(jìn)程是系統(tǒng)中唯一能動的成份，管程和類程都是被動成份,優(yōu)點 采用層

24、次管程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、統(tǒng)一 同步操作相對集中，系統(tǒng)安全性較高 用高級語言書寫程序，研制周期短，通過編譯技術(shù)獲取更高的靈活性和效率 只用一種概念描述并發(fā)，減少了不必要的并行性，減少了系統(tǒng)開銷。 缺點： 管程嵌套問題比較難于高效的解決 不便于管理多個資源和全局性資源,虛擬機(jī)結(jié)構(gòu),如IBM大型機(jī)上的系列操作系統(tǒng) 基本思想：系統(tǒng)應(yīng)該提供多道程序能力及一個比裸機(jī)有更方便擴(kuò)展界面的計算機(jī) 。但二者的實現(xiàn)應(yīng)相互獨立 特點 虛擬機(jī)概念可以實現(xiàn)完全保護(hù) 用軟件從硬件逐層擴(kuò)展 虛擬機(jī)方法把多道程序和擴(kuò)展機(jī)器的功能完全分開，使每一部分都簡單、靈活，更易于維護(hù)。,CMS: 會話監(jiān)控系統(tǒng),微內(nèi)核（客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）

25、,CMU的Mach、早期的Windows NT 非常適宜于應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，應(yīng)用于分布式處理的計算環(huán)境中 由下面兩大部分組成 運(yùn)行在核心態(tài)的“微”內(nèi)核 用戶態(tài)，以C/S模式運(yùn)行的若干進(jìn)程，通過內(nèi)核進(jìn)行通信 主要特點 機(jī)制（內(nèi)核）與策略（服務(wù)進(jìn)程）分離比較徹底 可靠 靈活 適合分布式計算的需求 缺點：效率較低,其它體系結(jié)構(gòu),外展式核心（Exokernels） 這種觀點認(rèn)為操作系統(tǒng)應(yīng)該只負(fù)責(zé)在競爭的用戶之間安全、有效的分配計算資源 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的絕大部分功能應(yīng)該在系統(tǒng)庫中以可選的方式鏈接進(jìn)用戶程序 可擴(kuò)展系統(tǒng) 可擴(kuò)展系統(tǒng)認(rèn)為應(yīng)該將盡可能多的模塊以一種受保護(hù)的方式放進(jìn)核心當(dāng)中。操作系統(tǒng)的構(gòu)造者可以先

26、構(gòu)造從一個只包含稍微多于核心保護(hù)機(jī)制的一個最小核心。而其它的功能則通過不斷的往核心中添加受保護(hù)的模塊實現(xiàn)。,2.2 Windows 2000/XP系統(tǒng)模型,融合了分層操作系統(tǒng)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計思想，使用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計，采用整體式的實現(xiàn) Windows 2000/XP通過硬件機(jī)制實現(xiàn)了核心態(tài)以及用戶態(tài)兩個特權(quán)級別 。對性能影響很大的操作系統(tǒng)組件運(yùn)行在核心態(tài)。核心內(nèi)沒有保護(hù)。 Windows 2000/XP的核心態(tài)組件使用了面向?qū)ο笤O(shè)計原則 出于可移植性以及效率因素的考慮，大部分代碼使用了基于C語言的對象實現(xiàn)。 Windows 2000/XP的很多系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行在核心態(tài)，這使得Window

27、s 2000/XP更加高效，而且也是相當(dāng)穩(wěn)定的。,Windows 2000/XP的構(gòu)成,用戶態(tài)組件 系統(tǒng)支持進(jìn)程（system support process），不是Windows 2000/XP服務(wù)，不由服務(wù)控制器啟動。 服務(wù)進(jìn)程（service process），Windows 2000/XP的服務(wù)。 環(huán)境子系統(tǒng)（enviroment subsystems），它們向應(yīng)用程序提供操作系統(tǒng)功能調(diào)用接口包括：Win32、POSIX和OS/2 1.2。 應(yīng)用程序（user applications），五種類型：Win32、Windows 3.1、MS-DOS、POSIX 或OS/2 1.2。 子系

28、統(tǒng)動態(tài)鏈接庫：調(diào)用層轉(zhuǎn)換和映射,核心態(tài)組件 核心（kernel）包含了最低級的操作系統(tǒng)功能，例如線程調(diào)度、中斷和異常調(diào)度、多處理器同步等。同時它也提供了執(zhí)行體（Executive）用來實現(xiàn)高級結(jié)構(gòu)的一組例程和基本對象。 執(zhí)行體包含基本的操作系統(tǒng)服務(wù)，例如內(nèi)存管理器、進(jìn)程和線程管理、安全控制、I/O以及進(jìn)程間的通信。 硬件抽象層（HAL, Hardware Abstraction Layer）將內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序以及執(zhí)行體同硬件分隔開來，實現(xiàn)硬件映射。 設(shè)備驅(qū)動程序（Device Drivers）包括文件系統(tǒng)和硬件設(shè)備驅(qū)動程序等，其中硬件設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒂脩舻腎/O函數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)換為對特定硬件設(shè)備的I

29、/O請求。 圖形引擎包含了實現(xiàn)圖形用戶界面（GUI，Graphical User Interface）的基本函數(shù)。,可移植性的獲得,兩種方法 分層的設(shè)計 依賴于處理器體系結(jié)構(gòu)或平臺的系統(tǒng)底層部分被隔離在單獨的模塊之中，系統(tǒng)的高層可以被屏蔽在千差萬別的硬件平臺之外。提供操作系統(tǒng)可移植性的兩個關(guān)鍵組件是HAL和內(nèi)核。依賴于體系結(jié)構(gòu)的功能在內(nèi)核中實現(xiàn)，在相同體系結(jié)構(gòu)中，因計算機(jī)而異的功能在HAL中實現(xiàn)。 Windows 2000/XP大量使用高級語言執(zhí)行體、設(shè)備驅(qū)動程序等用C語言編寫，圖形用戶界面用C+編寫。只有那些必須和系統(tǒng)硬件直接通信的操作系統(tǒng)部分，或性能極度敏感的部分是用匯編語言編寫的。匯編語

30、言代碼分布集中且少。,對稱多處理器支持,代碼對多處理器的可伸縮性好 完善的IPC和鎖機(jī)制解決資源競爭問題 核心態(tài)組件代碼可重入程度極高 多優(yōu)先級搶占式調(diào)度（利用系統(tǒng)陷阱調(diào)度），多數(shù)核心態(tài)組件代碼都可以被搶占 由NTOSKRNL.EXE屏蔽SMP硬件設(shè)置，絕大多數(shù)組件不可見、也無需關(guān)心，。,2.3 Windows 2000/XP的構(gòu)成,P43 圖2-5 windows2000/xp體系結(jié)構(gòu),內(nèi)核 內(nèi)核對象 硬件支持 硬件抽象層 執(zhí)行體 驅(qū)動程序 環(huán)境子系統(tǒng)與動態(tài)鏈接庫 Win32 Posix Os/2 Ntdll.dll 系統(tǒng)支持進(jìn)程,內(nèi)核,功能 線程安排和調(diào)度 陷阱處理和異常調(diào)度 中斷處理和調(diào)

31、度 多處理器同步 供執(zhí)行體使用的基本內(nèi)核對象 始終運(yùn)行在核心態(tài)，代碼精簡，可移植性好。除了中斷服務(wù)例程（ISR，interrupt service routine），正在運(yùn)行的線程不能搶先內(nèi)核。,內(nèi)核對象 幫助控制、處理并支持執(zhí)行體對象的操作，以降低系統(tǒng)策略代價 控制對象，這個對象集和包括內(nèi)核進(jìn)程對象、異步過程調(diào)用（APC，asynchronous procedure call）對象、延遲過程調(diào)用（DPC，deferred procedure call）對象和幾個由I/O系統(tǒng)使用的對象，例如中斷對象。 調(diào)度程序?qū)ο蠹县?fù)責(zé)同步操作并影響線程調(diào)度。調(diào)度程序?qū)ο蟀▋?nèi)核線程、互斥體（Mutex）、

32、事件（Event）、內(nèi)核事件對、信號量（Semaphore）、定時器和可等待定時器,內(nèi)核與硬件 使得執(zhí)行體和設(shè)備驅(qū)動程序同硬件無關(guān) 實現(xiàn)手段：一組在多個體系結(jié)構(gòu)上可移植、同語義的接口 內(nèi)核也有部分代碼不具有移植性 支持虛擬8086模式的代碼，用以運(yùn)行一些古老的16位DOS程序 高速緩存管理 描述表切換,硬件抽象層（HAL）,實際硬件與Windows 2000/XP抽象計算機(jī)描述的接口層和功能映射層 隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，例如I/O接口、中斷控制器以及多處理器通信機(jī)制等 實現(xiàn)多種硬件平臺上的可移植性,執(zhí)行體,提供的功能性調(diào)用 從用戶態(tài)導(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù)。這些函數(shù)的接口在NTDLL.DLL

33、中。通過Win32API或一些其他的環(huán)境子系統(tǒng)可以對它們進(jìn)行訪問。 從用戶態(tài)導(dǎo)出并且可以調(diào)用的函數(shù)，但當(dāng)前通過任何文檔化的子系統(tǒng)函數(shù)都不能使用。 在Windows 2000 DDK中已經(jīng)導(dǎo)出并且文檔化的核心態(tài)調(diào)用的函數(shù)。 在核心態(tài)組件中調(diào)用但沒有文檔化的函數(shù)。例如在執(zhí)行體內(nèi)部使用的內(nèi)部支持例程。 組件內(nèi)部的函數(shù)。,包含的功能實體 進(jìn)程和線程管理器創(chuàng)建及中止進(jìn)程和線程。對進(jìn)程和線程的基本支持在Windows 2000內(nèi)核中實現(xiàn)，而執(zhí)行體給這些低級對象添加附加語義和功能。 虛擬內(nèi)存管理器實現(xiàn)“虛擬內(nèi)存”。內(nèi)存管理器也為高速緩存管理器提供基本的支持。 安全引用監(jiān)視器在本地計算機(jī)上執(zhí)行安全策略。它保護(hù)

34、了操作系統(tǒng)資源，執(zhí)行運(yùn)行時對象的保護(hù)和監(jiān)視。 I/O系統(tǒng)執(zhí)行獨立于設(shè)備的輸入/輸出，并為進(jìn)一步處理調(diào)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序。 高速緩存管理器通過將最近引用的磁盤數(shù)據(jù)駐留在主內(nèi)存中來提高文件I/O的性能，并且通過在把更新數(shù)據(jù)發(fā)送到磁盤之前將它們在內(nèi)存中保持一個短的時間來延緩磁盤的寫操作，這樣就可以實現(xiàn)快速訪問。,對象管理：創(chuàng)建、管理以及刪除Windows 2000/XP的執(zhí)行體對象和用于代表操作系統(tǒng)資源的抽象數(shù)據(jù)類型，例如進(jìn)程、線程和各種同步對象。 本地過程調(diào)用（LPC，Local Procedure Call）機(jī)制，在同一臺計算機(jī)上的客戶進(jìn)程和服務(wù)進(jìn)程之間傳遞信息。LPC是一個靈活的、經(jīng)過優(yōu)化的

35、“遠(yuǎn)程過程調(diào)用”（RPC，Remote Procedure Call）版本。 一組廣泛的公用運(yùn)行時函數(shù)，例如字符串處理、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和完全結(jié)構(gòu)處理。 執(zhí)行體支持例程，例如系統(tǒng)內(nèi)存分配（頁交換區(qū)和非頁交換區(qū)）、互鎖內(nèi)存訪問和兩種特殊類型的同步對象：資源和快速互斥體。,設(shè)備驅(qū)動程序,可加載的核心態(tài)模塊 I/O系統(tǒng)和相關(guān)硬件之間的接口 使用WDM以及加強(qiáng)的WDM方式 分類 硬件設(shè)備驅(qū)動程序操作硬件。 文件系統(tǒng)驅(qū)動程序接受面向文件的I/O請求，并把它們轉(zhuǎn)化為對特殊設(shè)備的I/O請求。 過濾器驅(qū)動程序截取I/O并在傳遞I/O到下一層之前執(zhí)行某些特定處理。,環(huán)境子系統(tǒng),將基本的執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)的某些

36、子集以特定的形態(tài)展示給應(yīng)用程序，函數(shù)調(diào)用不能在不同子系統(tǒng)之間混用，因此每一個可執(zhí)行的映像都受限于唯一的子系統(tǒng) 三種環(huán)境子系統(tǒng)：POSIX、OS/2和Win32（OS/2 只能用于x86系統(tǒng)） Win32子系統(tǒng)必須始終處于運(yùn)行狀態(tài)，其他兩個子系統(tǒng)只是在需要時才被啟動，Win32子系統(tǒng)是Windows 2000/XP運(yùn)行的基本條件之一。,Win32子系統(tǒng) Win32環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程CSRSS，包括對下列功能的支持：控制臺（文本）窗口、創(chuàng)建及刪除進(jìn)程與線程、支持16位DOS虛擬機(jī)（VDM）進(jìn)程的部分。 核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動程序（WIN32K.SYS）。 圖形設(shè)備接口（GDI，Graphics Device

37、Interfaces） 子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫，它調(diào)用NTOSKRNL.EXE和WIN32.SYS將文檔化的Win32 API函數(shù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆俏臋n化的核心系統(tǒng)服務(wù)。 圖形設(shè)備驅(qū)動程序，包括依賴于硬件的圖形顯示驅(qū)動程序、打印機(jī)驅(qū)動程序和視頻小型端口驅(qū)動程序。 其他混雜的函數(shù)，如幾種自然語言支持函數(shù)。,POSIX子系統(tǒng) 設(shè)計的強(qiáng)迫性目標(biāo) 實現(xiàn)了POSIX.1，功能局限，用處不大 Windows XP實際上并不包含POSIX子系統(tǒng) 今后產(chǎn)品的POSIX/UNIX子系統(tǒng)將大大加強(qiáng),P49 圖2-7 interix的體系結(jié)構(gòu),NTDLL,主要用于子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫的特殊系統(tǒng)支持庫 功能 提供系統(tǒng)調(diào)用入口 為子

38、系統(tǒng)、子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫、及其他本機(jī)映像提供內(nèi)部支持函數(shù) NTDLL也包含許多支持函數(shù)，例如映像加載程序、堆管理器和Win32子系統(tǒng)進(jìn)程通信函數(shù)以及通用運(yùn)行庫。 用戶態(tài)異步過程調(diào)用（APC）調(diào)度器和異常調(diào)度器。,系統(tǒng)支持進(jìn)程,Idle進(jìn)程 系統(tǒng)進(jìn)程 會話管理器SMSS Win32子系統(tǒng)CSRSS 登錄進(jìn)程WINLOGIN 本地安全身份驗證服務(wù)器LSASS 服務(wù)控制器SERVICES及其相關(guān)的服務(wù)進(jìn)程,Windows 2000/XP的系統(tǒng)機(jī)制,陷阱調(diào)度，包括中斷、延遲過程調(diào)用（DPC，Deferred Procedure Call）、異步過程調(diào)用（APC，Asynchronous Procedur

39、e Call）、異常調(diào)度（Exception Dispatching）和系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度（System Service Dispatching） 執(zhí)行體對象管理器（Executive Object Manager） 同步（Synchronization），包括自旋鎖（Spin lock）、內(nèi)核調(diào)度程序?qū)ο螅↘ernel Dispatcher Objects） 本地過程調(diào)用（LPC，Local Procedure Call）,陷阱調(diào)度,當(dāng)異?；蛑袛喟l(fā)生時，硬件或軟件可以檢測到，處理器會從用戶態(tài)切換到核心態(tài)，并將控制轉(zhuǎn)交給內(nèi)核的陷阱處理程序，該模塊檢測異常和中斷的類型，并將控制交給處理相應(yīng)情況的代碼,

40、異常和中斷 中斷是異步事件，可能隨時發(fā)生，與處理器正在執(zhí)行的內(nèi)容無關(guān)。中斷主要由I/O設(shè)備、處理器時鐘或定時器產(chǎn)生，可以被啟用或禁用 異常是同步事件，它是某一特定指令執(zhí)行的結(jié)果。在相同條件下，異?？梢灾噩F(xiàn)。例如內(nèi)存訪問錯誤、調(diào)試指令以及被零除。 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用也視作異常。 軟件和硬件都可以產(chǎn)生異常和中斷。 陷阱幀：完整的線程描述表的子集，用于現(xiàn)場保護(hù) 陷阱處理程序處理少量事件，多數(shù)轉(zhuǎn)交給其他的內(nèi)核或執(zhí)行體模塊處理,中斷調(diào)度,中斷分類和優(yōu)先級 中斷請求級別（IRQL，Interrupt Request Level） 硬件中斷 軟件中斷 APC 異步過程調(diào)用 DPC 延遲過程調(diào)用,P53 圖2-9

41、中斷請求級別,硬件中斷處理過程 保存計算機(jī)的狀態(tài) 禁用中斷 調(diào)用中斷調(diào)度程序 提高處理器的IRQL到中斷源的級別 重新啟用中斷 在中斷分配表中查找處理特定中斷的例程 服務(wù)例程執(zhí)行 降低處理器的IRQL到該中斷發(fā)生前的級別 加載保存的機(jī)器狀態(tài) 中斷返回,軟件中斷的處理 延遲過程調(diào)用,P56 圖2-10 延遲過程調(diào)用的提交,異步過程調(diào)用apc 異步過程調(diào)用為用戶程序和系統(tǒng)代碼提供了一種在特殊用戶線程的描述表（一個特殊的進(jìn)程地址空間）中執(zhí)行代碼的方法 有用戶態(tài)APC和核心態(tài)APC,異常調(diào)度,異常直接由運(yùn)行程序的執(zhí)行所產(chǎn)生。 除了那些可由陷阱處理程序解決的簡單異常外，所有異常都是由異常調(diào)度程序接管 結(jié)

42、構(gòu)化異常處理 基于框架的異常處理程序 異常調(diào)度過程,P59 圖2-11 異常調(diào)度,系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度,在Alpha處理器上執(zhí)行syscall指令或在Intel x86處理器上執(zhí)行int 2E指令都會引起系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度程序?qū)⒁来巫飨旅鎺准拢?校驗參數(shù) 調(diào)用者的參數(shù)從線程的用戶堆棧復(fù)制到它的核心堆棧中 執(zhí)行系統(tǒng)服務(wù),P60 圖2-12 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度,對象管理器,執(zhí)行體組件之一 用于創(chuàng)建、刪除、保護(hù)和跟蹤對象 提供使用系統(tǒng)范圍內(nèi)資源使用的公共、一致的機(jī)制 實現(xiàn)對象的集中保護(hù) 實現(xiàn)了資源的訪問控制 對象管理器有一套對象命名方案和統(tǒng)一的保留規(guī)則，能夠容易地操縱現(xiàn)有對象,執(zhí)行體對象 由執(zhí)行體的各種組件實現(xiàn) 進(jìn)程管理器、內(nèi)存管理器、I/O子系統(tǒng)等 內(nèi)核對象 由內(nèi)核實現(xiàn)的原始的對象集合 這些對象對用戶態(tài)代碼是不可見的，它們僅在執(zhí)行體內(nèi)創(chuàng)建和使用 內(nèi)核對象提供了一些基本性能，許多執(zhí)行體對象內(nèi)包含著一個或多個內(nèi)核對象。,對象命名 對象頭：存儲對象管理信息和描述信息 類型對象：保存特定對象類型