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通用計算機(jī)操作系統(tǒng)典型體系結(jié)構(gòu)綜述
（作者未知） 2011/6/22
摘要:隨著操作系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，以及操作系統(tǒng)硬件平臺的多樣化，操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)方式都在不斷更新，目前通用機(jī)上常見操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有如下幾種: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)。
關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng)；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。
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)。
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、依賴下層軟件的運行而運行。例如，瀏覽器這部分軟件就依賴GUI的存在和運行，GUI又依賴操作系統(tǒng)的存在和運行。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)核的運行而運行，內(nèi)核又依賴HAL而運行。處在同層之內(nèi)的軟件成分可以是相對獨立的，相互之間一般不存在相互依賴關(guān)系。
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)程獨立運行于其中的“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，因此能夠直接的運行在硬件上的程序都可以直接運行在虛擬機(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行在硬件之上，因此它也無法運行在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)之上。通常的情況是，普通的操作運行在虛擬機(jī)之上。而應(yīng)用程序運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（未完，下一頁）
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