1.4 操作系统的体系结构

1.4.1 架构

1、分层式架构

将操作系统划分为若干层，层与层之间单向依赖

操作系统的层次结构

• 优点

  • 便于系统的调试和验证

  • 易于扩充和维护

• 缺点

  • 合理定义各层较为困难

  • 效率较差，执行一个指令需要自上而下穿越多层

2、模块化架构

将操作系统分为多个具有独立性的子模块，规定好模块之间的接口使得模块之间可以相互通信

• 独立性：模块的独立性越高，各模块之间的交互越少，系统结构越清晰

• 衡量独立性的指标

  • 内聚性：模块内部联系的紧密程度，内聚性越高，独立性越好

  • 耦合度：模块间相互联系与影响的程度，耦合度越低，独立性越好

• 优点

  • 提高了操作系统设计的正确性，可理解性和可维护性

  • 增强了操作系统的可适应性

  • 加速了操作系统的开发过程

• 缺点

  • 模块间的接口规定很难满足实际需求

  • 各模块设计者齐头并进，没有可靠的决定顺序

1.4.2 内核

一般来说，底层的时钟管理、中断处理、原语等与硬件关系紧密；而上层的进程管理、存储器管理、设备管理等处理数据结构等相关，与硬件关系不大。

转变CPU状态的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地转变CPU状态会降低系统性能

1、大内核

这两层都在内核态下运行

• 优点

  • 性能高

• 缺点

  • 代码庞大

  • 结构混乱

2、微内核

只有底层保留在内核态下运行，运行时不断切换CPU状态

• 微内核的基本功能：与硬件处理有关的部分、基本功能、客户与服务器之间的通信

  • 进程（线程）管理

  • 低级存储器管理

  • 中断和陷入处理

• 特点

  • 内核足够小

  • 基于客户/服务器模式

  • 应用“机制与策略分离”原理

  • 采用面向对象技术

• 优点

  • 扩展性和灵活性

  • 可靠性和安全性

  • 可移植性

  • 分布式计算

• 缺点

  • 需要频繁的切换CPU状态，性能低

1.4.3 操作系统引导

1. 激活CPU

2. 读取ROM中的boot指令，开始执行BIOS程序

3. 硬件自检

4. 加载带有操作系统的硬盘，将引导扇区的内容加载进内存

5. 加载主引导记录MBR

6. 扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区

7. 加载分区引导记录PBR：活动分区的第一个扇区，用于寻找根目录下的引导程序（启动管理器）

8. 加载启动管理器

9. 加载操作系统

1.4.5 虚拟机

运用虚拟化技术，将一台物理机虚拟化为多台虚拟机

1、第一类虚拟机

虚拟机直接运行在硬件上，虚拟机管理程序将计算机的硬件分配给多个虚拟机

• 只有虚拟机管理程序运行在内核态

• 虚拟机处于虚拟内核态，实际上是用户态

• 特点

  • 直接运行在硬件上，直接控制和分配硬件资源

  • 性能更好

  • 可支持的虚拟机数量更多

  • 虚拟机的可迁移性差

2、第二类虚拟机

虚拟机运行在宿主操作系统上，例如常用的VMware

• 特点

  • 分配到的内存是虚拟内存

  • 性能更差

  • 可以支持的虚拟机数量少，需要和宿主OS争夺资源

  • 虚拟机迁移性更好