計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)
計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)
計算機(jī)的典型操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)你知道有哪些嗎?下面由學(xué)習(xí)啦小編為大家整理了計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識,希望對大家有幫助!
計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)一、模塊組合結(jié)構(gòu)
模塊組合結(jié)構(gòu)是在軟件工程出現(xiàn)以前的早期操作系統(tǒng)以及目前一些小型操作系統(tǒng)最常用的組織方式。
操作系統(tǒng)剛開始發(fā)展時是以建立一個簡單的小系統(tǒng)為目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的,但是為了滿足其他需求又陸續(xù)加入一些新的功能,其結(jié)構(gòu)漸漸變得復(fù)雜而無法掌握。以前我們使用的MS-DOS就是這種結(jié)構(gòu)最典型的例子。這種操作系統(tǒng)是一個有多種功能的系統(tǒng)程序,也可以看成是一個大的可執(zhí)行體,即整個操作系統(tǒng)是一些過程的集合。系統(tǒng)中的每一個過程模塊根據(jù)它們要完成的功能進(jìn)行劃分,然后按照一定的結(jié)構(gòu)方式組合起來,協(xié)同完成整個系統(tǒng)的功能。如圖1所示:
在模塊組合結(jié)構(gòu)中,沒有一致的系統(tǒng)調(diào)用界面,模塊之間通過對外提供的接口傳遞信息,模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)隱藏的程序單元,使其對其它過程模塊來說是透明的。但是,隨著功能的增加,模塊組合結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜而難以控制,模塊間不加控制地相互調(diào)用和轉(zhuǎn)移,以及信息傳遞方式的隨意性,使系統(tǒng)存在一定隱患。
計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)二、層次結(jié)構(gòu)
為了彌補(bǔ)模塊組合結(jié)構(gòu)中模塊間調(diào)用存在的固有不足之處,就必須減少模塊間毫無規(guī)則的相互調(diào)用、相互依賴的關(guān)系,尤其要清除模塊間的循環(huán)調(diào)用。從這一點(diǎn)出發(fā),層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了高層建筑結(jié)構(gòu)的理念,將操作系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)中的全部構(gòu)成模塊進(jìn)行分類:將基礎(chǔ)的模塊放在基層(或稱底層、一層),在此基礎(chǔ)上,再將某些模塊放在二層,二層的模塊在基礎(chǔ)模塊提供的環(huán)境中工作;它只能調(diào)用基層的模塊為其工作,反之不行。嚴(yán)格的層次結(jié)構(gòu),第N+l層只能在N層模塊提供的基礎(chǔ)上建立,只能在N層提供的環(huán)境中工作,也只能向N層的模塊發(fā)調(diào)用請求。
在采用層次結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中,各個模塊都有相對固定的位置、相對固定的層次。處在同一層次的各模塊,其相對位置的概念可以不非常明確。處于不同層次的各模塊,一般而言,不可以互相交換位置,只存在單向調(diào)用和單向依賴。Unix/Linux系統(tǒng)采用的就是這種體系結(jié)構(gòu)。如圖2:
在層次結(jié)構(gòu)中,強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)中各組成部分所處的位置,但是想要讓系統(tǒng)正常運(yùn)作,不得不協(xié)調(diào)兩種關(guān)系,即依賴關(guān)系和調(diào)用關(guān)系。
依賴關(guān)系是指處于上層(或外層)的軟件成分依賴下層軟件的存在、依賴下層軟件的運(yùn)行而運(yùn)行。例如,瀏覽器這部分軟件就依賴GUI的存在和運(yùn)行,GUI又依賴操作系統(tǒng)的存在和運(yùn)行。在操作系統(tǒng)內(nèi)部,外圍部分依賴內(nèi)核的存在而存在,依賴內(nèi)核的運(yùn)行而運(yùn)行,內(nèi)核又依賴HAL而運(yùn)行。處在同層之內(nèi)的軟件成分可以是相對獨(dú)立的,相互之間一般不存在相互依賴關(guān)系。
計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)三、虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)
虛擬機(jī)的基本思想是系統(tǒng)能提供兩個功能:①多道程序處理能力;②提供一個比裸機(jī)有更方便擴(kuò)展界面的計算機(jī)。操作系統(tǒng)是覆蓋在硬件裸機(jī)上的一層軟件,它通過系統(tǒng)調(diào)用向位于它之上的用戶應(yīng)用程序服務(wù)。從應(yīng)用程序的角度看來,操作系統(tǒng)像是一臺“計算書”,只不過它的功能比硬件裸機(jī)更強(qiáng),它的指令系統(tǒng)是系統(tǒng)調(diào)用集而己。因此,從概念上來講,操作系統(tǒng)是“虛擬機(jī)”。這是“虛擬機(jī)”概念的來源。利用CPU調(diào)度以及虛擬內(nèi)存技術(shù),操作系統(tǒng)可以給運(yùn)行于系統(tǒng)中的進(jìn)程以假象:好像進(jìn)程擁有自己的CPU和存儲器,如同系統(tǒng)中只有一個進(jìn)程,系統(tǒng)所有資源都為它服務(wù)。從這個角度來講,操作系統(tǒng)為每一個進(jìn)程創(chuàng)建了一個使該進(jìn)程獨(dú)立運(yùn)行于其中的“虛擬機(jī)”,在這個“虛擬機(jī)”中,進(jìn)程擁有自己的“CPU”和“存儲器”,同時進(jìn)程還得到了硬件所無法提供的文件系統(tǒng)功能。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)就是根據(jù)這一想法而產(chǎn)生的。
虛擬機(jī)操作系統(tǒng)不提供傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)的功能。最初的虛擬機(jī)僅僅為進(jìn)程提供一個訪問底層的接口,它通過對硬件的復(fù)用提供給每一個進(jìn)程以硬件的一個拷貝,因此能夠直接的運(yùn)行在硬件上的程序都可以直接運(yùn)行在虛擬機(jī)之上。后來出現(xiàn)了另外三種體系結(jié)構(gòu)的虛擬機(jī):由機(jī)器虛擬指令映射構(gòu)成的虛擬機(jī)。
虛擬機(jī)操作系統(tǒng)并沒有提供一個供應(yīng)用程序直接運(yùn)行的現(xiàn)成環(huán)境,它僅僅是對硬件進(jìn)行(分時)復(fù)用從而得到硬件的多個拷貝,應(yīng)用程序不可以直接運(yùn)行在硬件之上,因此它也無法運(yùn)行在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)之上。通常的情況是,普通的操作運(yùn)行在虛擬機(jī)之上。而應(yīng)用程序運(yùn)行在各自的操作系統(tǒng)之上,由于虛擬機(jī)操作系統(tǒng)是通過(分時)復(fù)用硬件資源同時提供多臺虛擬機(jī),因此同時可以有多個不同的操作系統(tǒng)運(yùn)行在同一物理硬件機(jī)器之上,因此可以有多個不同操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以同時運(yùn)行在同一臺物理硬件機(jī)器之上。
雖然虛擬機(jī)操作系統(tǒng)有著誘人的特性,但是最突出的一個問題是實(shí)現(xiàn)比較困難。如果要實(shí)現(xiàn)的是底層硬件的完全拷貝,也即它要模擬硬件幾乎所有的特性,那將是相當(dāng)困難的一件事情。因此現(xiàn)代許多商業(yè)虛擬機(jī)采用映射部分指令結(jié)合直接調(diào)用宿主操作系統(tǒng)功能的方法,但這樣必然會導(dǎo)致虛擬機(jī)性能的損失,所以虛擬機(jī)操作系統(tǒng)在業(yè)界是屬于非主流的,但是在學(xué)術(shù)界有著重要意義,因?yàn)樗茄芯坎僮飨到y(tǒng)技術(shù)的理想平臺。
計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)四、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
操作系統(tǒng)研究領(lǐng)域最近十幾年突出的成就應(yīng)該是微內(nèi)核技術(shù)。微內(nèi)核的研究動機(jī)是為克服已有的操作系統(tǒng)內(nèi)核由于功能的增加而逐漸變大的缺點(diǎn)。圖3所示:
微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的基本思想是把操作系統(tǒng)中與硬件直接相關(guān)的部分抽取出來作為一個公共層,稱之為硬件抽象層(HAL)。這個硬件抽象層其實(shí)就是一種虛擬機(jī),它向所有基于該層的其它層通過API接口提供一系列標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。在微內(nèi)核中只保留了處理機(jī)調(diào)度、存儲管理和消息通訊等少數(shù)幾個組成部分,將傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中的一些組成部分放到內(nèi)核之外來實(shí)現(xiàn)。如傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的文件管理系統(tǒng)、進(jìn)程管理、設(shè)備管理、虛擬內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)核功能都放在內(nèi)核外作為一個獨(dú)立的子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。因此,操作系統(tǒng)的大部分代碼只要在一種統(tǒng)一的硬件體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計就可以了。
微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)有:①內(nèi)核非常小。②許多操作系統(tǒng)服務(wù)不屬于內(nèi)核,而是運(yùn)行在內(nèi)核之上的,這樣,當(dāng)高層模塊更新時內(nèi)核無須重新編譯。③有一個硬件抽象層,內(nèi)核能方便地移植到其它的硬件體系結(jié)構(gòu)中。因?yàn)楫?dāng)需要移植到新的軟件或硬件環(huán)境中時,只需對與硬件相關(guān)的部分稍加修改即可把微內(nèi)核嵌入到新的硬件環(huán)境中,在多數(shù)情況下并不需要移植外部服務(wù)器或客戶應(yīng)用。④靈活性和擴(kuò)展性.微內(nèi)核最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是它的靈活性和擴(kuò)展性。如果要實(shí)現(xiàn)另一個視圖,可以增加一個外部服務(wù)器。若要想擴(kuò)展功能,可以增加和擴(kuò)展內(nèi)部服務(wù)器。
微內(nèi)核思想雖然是一種非常理想的,理論上具有明顯先進(jìn)性的操作系統(tǒng)設(shè)計思想,但是現(xiàn)代微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)還存在著許多問題,現(xiàn)代微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能還不夠理想。在市場和應(yīng)用領(lǐng)域,微內(nèi)核的應(yīng)用在近幾年逐漸廣泛,很多過程控制計算機(jī)不以通用計算機(jī)的面貌出現(xiàn),只是完成特定的專用功能,常常采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。
五、總結(jié)
以上介紹的模塊組合結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)和微內(nèi)核結(jié)構(gòu)四種典型的操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要是通用機(jī)上采用的體系結(jié)構(gòu),如模塊組合結(jié)構(gòu)是早期MS-DOS系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu),層次結(jié)構(gòu)是Unix、Linux和Windows9x系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu),這些系統(tǒng)的功能相對完善,處理能力很強(qiáng),但是這些系統(tǒng)內(nèi)核都比較大,對于嵌入式系統(tǒng)里硬件系統(tǒng)多元化以及小存儲空間的問題,這些通用的操作系統(tǒng)不可能直接移植到嵌入式產(chǎn)品上進(jìn)行使用。因此研究更加合理嵌入式操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將有利于提高嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率,降低開發(fā)成本,提高系統(tǒng)的可復(fù)用性。