通用計算機操作系統(tǒng)典型體系結構綜述

摘要:隨著操作系統(tǒng)應用領域的擴大，以及操作系統(tǒng)硬件平臺的多樣化，操作系統(tǒng)的體系結構和開發(fā)方式都在不斷更新，目前通用機上常見操作系統(tǒng)的體系結構有如下幾種:模塊組合結構、層次結構、虛擬機結構和微內(nèi)核結構。

關鍵詞:操作系統(tǒng)；體系結構

一、模塊組合結構

模塊組合結構是在軟件工程出現(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，其結構漸漸變得復雜而無法掌握。以前我們使用的MS-DOS就是這種結構最典型的例子。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行劃分，然后按照一定的結構方式組合起來，協(xié)同完成整個系統(tǒng)的功能。如圖1所示:

在模塊組合結構中，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，模塊組合結構變得越來越復雜而難以控制，模塊間不加控制地相互調(diào)用和轉移，以及信息傳遞方式的隨意性，使系統(tǒng)存在一定隱患。

二、層次結構

為了彌補模塊組合結構中模塊間調(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)，層次結構的設計采用了高層建筑結構的理念，將操作系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)中的全部構成模塊進行分類:將基礎的模塊放在基層(或稱底層、一層)，在此基礎上，再將某些模塊放在二層，二層的模塊在基礎模塊提供的環(huán)境中工作;它只能調(diào)用基層的模塊為其工作，反之不行。嚴格的層次結構，第N+l層只能在N層模塊提供的基礎上建立，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。

在采用層次結構的操作系統(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構。如圖2:

在層次結構中，強調(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)兩種關系，即依賴關系和調(diào)用關系。

依賴關系是指處于上層(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系。

三、虛擬機結構

虛擬機的基本思想是系統(tǒng)能提供兩個功能:①多道程序處理能力;②提供一個比裸機有更方便擴展界面的計算機。操作系統(tǒng)是覆蓋在硬件裸機上的一層軟件，它通過系統(tǒng)調(diào)用向位于它之上的用戶應用程序服務。從應用程序的角度看來，操作系統(tǒng)像是一臺“計算書”，只不過它的功能比硬件裸機更強，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”。這是“虛擬機”概念的來源。利用CPU調(diào)度以及虛擬內(nèi)存技術，操作系統(tǒng)可以給運行于系統(tǒng)中的進程以假象:好像進程擁有自己的CPU和存儲器，如同系統(tǒng)中只有一個進程，系統(tǒng)所有資源都為它服務。從這個角度來講，操作系統(tǒng)為每一個進程創(chuàng)建了一個使該進程獨立運行于其中的“虛擬機”，在這個“虛擬機”中，進程擁有自己的“CPU”和“存儲器”，同時進程還得到了硬件所無法提供的文件系統(tǒng)功能。虛擬機操作系統(tǒng)就是根據(jù)這一想法而產(chǎn)生的。

虛擬機操作系統(tǒng)不提供傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)的功能。最初的虛擬機僅僅為進程提供一個訪問底層的接口，它通過對硬件的復用提供給每一個進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之上。后來出現(xiàn)了另外三種體系結構的虛擬機:由機器虛擬指令映射構成的虛擬機。

虛擬機操作系統(tǒng)并沒有提供一個供應用程序直接運行的現(xiàn)成環(huán)境，它僅僅是對硬件進行(分時)復用從而得到硬件的多個拷貝，應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操作系統(tǒng)之上。通常的情況是，普通的操作運行在虛擬機之上。而應用程序運行在各自的操作系統(tǒng)之上，由于虛擬機操作系統(tǒng)是通過(分時)復用硬件資源同時提供多臺虛擬機，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器之上，因此可以有多個不同操作系統(tǒng)的應用程序可以同時運行在同一臺物理硬件機器之上。

雖然虛擬機操作系統(tǒng)有著誘人的特性，但是最突出的一個問題是實現(xiàn)比較困難。如果要實現(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，那將是相當困難的一件事情。因此現(xiàn)代許多商業(yè)虛擬機采用映射部分指令結合直接調(diào)用宿主操作系統(tǒng)功能的方法，但這樣必然會導致虛擬機性能的損失，所以虛擬機操作系統(tǒng)在業(yè)界是屬于非主流的，但是在學術界有著重要意義，因為它是研究操作系統(tǒng)技術的理想平臺。

四、微內(nèi)核結構

操作系統(tǒng)研究領域最近十幾年突出的成就應該是微內(nèi)核技術。微內(nèi)核的研究動機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。圖3所示:

微內(nèi)核體系結構的基本思想是把操作系統(tǒng)中與硬件直接相關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就是一種虛擬機，它向所有基于該層的其它層通過API接口提供一系列標準服務。在微內(nèi)核中只保留了處理機調(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)核之外來實現(xiàn)。如傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的文件管理系統(tǒng)、進程管理、設備管理、虛擬內(nèi)存和網(wǎng)絡等內(nèi)核功能都放在內(nèi)核外作為一個獨立的子系統(tǒng)來實現(xiàn)。因此，操作系統(tǒng)的大部分代碼只要在一種統(tǒng)一的硬件體系結構上進行設計就可以了。

微內(nèi)核體系結構的主要特點有:①內(nèi)核非常小。②許多操作系統(tǒng)服務不屬于內(nèi)核，而是運行在內(nèi)核之上的，這樣，當高層模塊更新時內(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構中。因為當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器或客戶應用。④靈活性和擴展性.微內(nèi)核最大的優(yōu)點之一就是它的靈活性和擴展性。如果要實現(xiàn)另一個視圖，可以增加一個外部服務器。若要想擴展功能，可以增加和擴展內(nèi)部服務器。