Windows操作系統(tǒng)-體系結(jié)構(gòu)(一)PPT課件

1、1第二章第二章 Windows操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（上）的體系結(jié)構(gòu)（上）F操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計FWindows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型FWindows的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)2操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 操作系統(tǒng)設(shè)計有著不同于一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)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：計的特征：復(fù)雜程度高復(fù)雜程度高研制周期長研制周期長正確性難以保證正確性難以保證 解決途徑：解決途徑：良好的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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)工具高效的開發(fā)工具 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)操作

2、系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo) 可靠性：正確性和健壯性可靠性：正確性和健壯性 高效性：提高系統(tǒng)的運行效率高效性：提高系統(tǒng)的運行效率 易維護(hù)性：易讀、易擴(kuò)充、易剪裁、易修改性易維護(hù)性：易讀、易擴(kuò)充、易剪裁、易修改性 易移植性：一次開發(fā)，多處使用易移植性：一次開發(fā)，多處使用 安全性：計算機軟件系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)安全性：計算機軟件系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ) 可適應(yīng)性可適應(yīng)性 簡明性簡明性 %100smsuusuuTTTTT操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計4Windows的設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計目標(biāo) 總原則：市場需求總原則：市場需求 驅(qū)動驅(qū)動 設(shè)計目標(biāo)設(shè)計目標(biāo) 需求：需求：提供一個真提供一個真3232位搶占式可重入的虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)位搶

3、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)和平臺上運行能夠在多種硬件體系結(jié)構(gòu)和平臺上運行能夠在對稱多處理系統(tǒng)上運行并具有良好的可伸縮性能夠在對稱多處理系統(tǒng)上運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)器為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可運行多數(shù)現(xiàn)有可運行多數(shù)現(xiàn)有1616位位MS-DOSMS-DOS和和Microsoft Windows 3.1 Microsoft Windows 3.1 應(yīng)用程序應(yīng)用程序符合政府對符合符合政府對符合POSLX 1003.1POSLX 1003.1的要求的要求符合政府和企業(yè)對操作系統(tǒng)安全性的要求

4、符合政府和企業(yè)對操作系統(tǒng)安全性的要求支持支持UnicodeUnicode，適應(yīng)全球市場的需要，適應(yīng)全球市場的需要 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計5 可擴(kuò)充性可擴(kuò)充性當(dāng)市場需求變化時，代碼必須易于擴(kuò)當(dāng)市場需求變化時，代碼必須易于擴(kuò)充改動充改動 可移植性可移植性系統(tǒng)必須能夠在多種硬件體系結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)必須能夠在多種硬件體系結(jié)構(gòu)中運行和相對簡單地移入新的體系結(jié)構(gòu)運行和相對簡單地移入新的體系結(jié)構(gòu) 可靠性及健壯性可靠性及健壯性系統(tǒng)能防止內(nèi)部故障及外部侵系統(tǒng)能防止內(nèi)部故障及外部侵?jǐn)_造成的損害，應(yīng)用程序不應(yīng)該損害操作系統(tǒng)及正擾造成的損害，應(yīng)用程序不應(yīng)該損害操作系統(tǒng)及正在運行的其他應(yīng)用程序在運行的其他應(yīng)用程序

5、兼容性兼容性用戶界面和用戶界面和API應(yīng)與已有的應(yīng)與已有的Windows 版本兼容版本兼容 性能性能系統(tǒng)應(yīng)該在每一種硬件平臺上盡可能快地系統(tǒng)應(yīng)該在每一種硬件平臺上盡可能快地響應(yīng)響應(yīng)Windows的設(shè)計目標(biāo)的設(shè)計目標(biāo)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計6操作系統(tǒng)的設(shè)計階段操作系統(tǒng)的設(shè)計階段 功能設(shè)計：操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些功能功能設(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)結(jié)構(gòu)設(shè)計：選擇合適的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 按照系統(tǒng)的功能和特性要求，選擇合適的按照系統(tǒng)的功能和

6、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、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，簡單、可靠、易讀、易修改，而且使用方便，適應(yīng)性強適應(yīng)性強操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計7操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)是一種大型軟件操作系統(tǒng)是一種大型軟件, 為了研制操作系統(tǒng)，為了研制操作系統(tǒng)，必須分析它的體系結(jié)構(gòu)必須分析它的體系結(jié)構(gòu)-也就是要弄清楚如何也就是要弄清楚如何把這一大型軟件劃分成若干較小的模塊以及這把這一大型軟件劃分成若干較小的模塊以

7、及這些模塊間有著怎樣的接口。些模塊間有著怎樣的接口。 模塊組合結(jié)構(gòu)模塊組合結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)虛擬機結(jié)構(gòu)虛擬機結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)8幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模塊組合結(jié)構(gòu)模塊組合結(jié)構(gòu)根據(jù)功能劃分系統(tǒng)中的模塊根據(jù)功能劃分系統(tǒng)中的模塊優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊密，接口簡單直接，系統(tǒng)效率高結(jié)構(gòu)緊密，接口簡單直接，系統(tǒng)效率高操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計9 模塊組合結(jié)構(gòu)模塊組合結(jié)構(gòu)缺點缺點模塊間轉(zhuǎn)接隨便模塊間轉(zhuǎn)接隨便數(shù)據(jù)基本上作為全程量處理數(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)性難以提高常常關(guān)中斷，系統(tǒng)的并發(fā)性難以提高操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見

8、的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)把操作系統(tǒng)的所有功能模塊按功能的調(diào)用次序，把操作系統(tǒng)的所有功能模塊按功能的調(diào)用次序，分別排列成若干層，各層之間的模塊只能是單分別排列成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用的關(guān)系向依賴或單向調(diào)用的關(guān)系 E.W.Dijkstra的的THE系統(tǒng)：系統(tǒng)：1 12 23 34 45 5處理器分配和多道程序內(nèi)存和磁盤管理操作員進(jìn)程通信輸入/輸出管理用戶程序操作員 0 0操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11F層次結(jié)構(gòu)的特點層次結(jié)構(gòu)的特點分解成許多功能單一的模塊，各模塊之間有分解成許多功能單一的模塊，各模塊之間有清晰的組

9、織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系清晰的組織結(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次結(jié)構(gòu)是單向依賴的，上層模塊建立在下層基礎(chǔ)上層基礎(chǔ)上很容易增加或替換掉一層而不影響其它層次很容易增加或替換掉一層而不影響其它層次便于修改、擴(kuò)充便于修改、擴(kuò)充 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12F層次結(jié)構(gòu)的層間關(guān)系層次結(jié)構(gòu)的層間關(guān)系全序全序 半序半序第第3 3層層第第2 2層層第第1 1層層第第0 0層層操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13F分層原則分層原則為了增加操作系統(tǒng)的可

10、適應(yīng)性，并且便于將操作系統(tǒng)為了增加操作系統(tǒng)的可適應(yīng)性，并且便于將操作系統(tǒng)移植到其它機器上，必須把與機器特點緊密相關(guān)的軟移植到其它機器上，必須把與機器特點緊密相關(guān)的軟件，如中斷處理，輸入輸出管理等放在緊靠硬件的最件，如中斷處理，輸入輸出管理等放在緊靠硬件的最低層。低層。為了便于操作系統(tǒng)從一種操作方式轉(zhuǎn)為了便于操作系統(tǒng)從一種操作方式轉(zhuǎn) 變到另一種操變到另一種操作方式，通常把多種操作方式共同使用的基本部分放作方式，通常把多種操作方式共同使用的基本部分放在內(nèi)層，而把隨著這些操作方式而改變的部分放在外在內(nèi)層，而把隨著這些操作方式而改變的部分放在外層。層。為了給進(jìn)程的活動提供必要的環(huán)境和條件，因此必須為了

11、給進(jìn)程的活動提供必要的環(huán)境和條件，因此必須要有一部分軟件要有一部分軟件系統(tǒng)調(diào)用的各功能，來為進(jìn)程提系統(tǒng)調(diào)用的各功能，來為進(jìn)程提供服務(wù)，通常這些功能模塊（各系統(tǒng)調(diào)用功能）構(gòu)成供服務(wù)，通常這些功能模塊（各系統(tǒng)調(diào)用功能）構(gòu)成操作系統(tǒng)內(nèi)核，放在系統(tǒng)的內(nèi)層。操作系統(tǒng)內(nèi)核，放在系統(tǒng)的內(nèi)層。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬機結(jié)構(gòu)虛擬機結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的核心系統(tǒng)的核心 -虛擬機監(jiān)控程序虛擬機監(jiān)控程序(VM) VM/370在裸機上運行并且具在裸機上運行并且具備了多道程序功能。該系統(tǒng)備了多道程序功能。該系統(tǒng)向上層提供了若干臺虛擬機。這些

12、虛擬機僅僅是精確復(fù)制的向上層提供了若干臺虛擬機。這些虛擬機僅僅是精確復(fù)制的裸機硬件裸機硬件, 包含：核心態(tài)用戶態(tài)，包含：核心態(tài)用戶態(tài)，IO功能，中斷，及其功能，中斷，及其它真實硬件所具有的全部內(nèi)容。它真實硬件所具有的全部內(nèi)容。 幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬機結(jié)構(gòu)虛擬機結(jié)構(gòu) 由于每臺虛擬機都與裸機由于每臺虛擬機都與裸機相同，所以每臺虛擬機可相同，所以每臺虛擬機可以運行一臺裸機所能夠運以運行一臺裸機所能夠運行的任何類型操作系統(tǒng)。行的任何類型操作系統(tǒng)。 會話監(jiān)控系統(tǒng)會話監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)程序在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，它的系統(tǒng)調(diào)用陷入其虛擬機中的操程序在

13、執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，它的系統(tǒng)調(diào)用陷入其虛擬機中的操作系統(tǒng)。然后作系統(tǒng)。然后CMS發(fā)出硬件發(fā)出硬件IO指令，在虛擬機者執(zhí)行為指令，在虛擬機者執(zhí)行為該系統(tǒng)調(diào)用所需的其它操作。這些該系統(tǒng)調(diào)用所需的其它操作。這些IO指令被指令被VM370捕捕獲，作為對真實硬件模擬的一部分，獲，作為對真實硬件模擬的一部分，VM370隨后就執(zhí)行隨后就執(zhí)行這些指令。這些指令。 幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu) CMU的的Mach、早期的、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)境中分布式處理的計算環(huán)境中 由兩大部分組成

14、由兩大部分組成 ： “微微”內(nèi)核內(nèi)核 服務(wù)進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17微內(nèi)核微內(nèi)核運行在核心態(tài)的內(nèi)核提供所有操作運行在核心態(tài)的內(nèi)核提供所有操作系統(tǒng)基本都具有的那些操作，包括系統(tǒng)基本都具有的那些操作，包括線程調(diào)度、虛擬存儲、消息傳遞、線程調(diào)度、虛擬存儲、消息傳遞、設(shè)備驅(qū)動以及內(nèi)核的原語操作集和設(shè)備驅(qū)動以及內(nèi)核的原語操作集和中斷處理等。這些部分通常采用層中斷處理等。這些部分通常采用層次結(jié)構(gòu)并且只提供了一個很小的功次結(jié)構(gòu)并且只提供了一個很小的功能集合，通常稱為微內(nèi)核。能集合，通常稱為微內(nèi)核。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)

15、構(gòu)設(shè)計服務(wù)進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程運行在用戶態(tài)的并以客戶運行在用戶態(tài)的并以客戶/服務(wù)器方式運行的進(jìn)程。操作系統(tǒng)所服務(wù)器方式運行的進(jìn)程。操作系統(tǒng)所有的其它部分被分成若干個相對獨立的服務(wù)進(jìn)程，提供各種系有的其它部分被分成若干個相對獨立的服務(wù)進(jìn)程，提供各種系統(tǒng)功能、文件系統(tǒng)服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等?？蛻暨M(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)統(tǒng)功能、文件系統(tǒng)服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等?？蛻暨M(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程之間使用消息進(jìn)行通信。程之間使用消息進(jìn)行通信。幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18主要優(yōu)點主要優(yōu)點 機制與策略分離機制與策略分離機制機制(mechanism)-任務(wù)在系統(tǒng)中完成的任務(wù)在系統(tǒng)中完成的方法方法策略策略(policy)-決定應(yīng)該

16、執(zhí)行哪個任務(wù)決定應(yīng)該執(zhí)行哪個任務(wù),何何時執(zhí)行等等時執(zhí)行等等 可靠可靠 靈活靈活 適合分布式計算的需求適合分布式計算的需求缺點缺點 效率較低效率較低微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾種常見的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)19Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型 融合了分層操作系統(tǒng)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)融合了分層操作系統(tǒng)和微內(nèi)核操作系統(tǒng)的設(shè)計思想計思想 Windows通過硬件機制實現(xiàn)了核心態(tài)以及用通過硬件機制實現(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)組件運行在核心態(tài)。核心內(nèi)沒有保護(hù)。系統(tǒng)組件運行在核心態(tài)。核心內(nèi)

17、沒有保護(hù)。 設(shè)計充分體現(xiàn)了機制與策略分離的思想設(shè)計充分體現(xiàn)了機制與策略分離的思想20 Windows的核心態(tài)組件使用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計的核心態(tài)組件使用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計原則原則 出于可移植性以及效率因素的考慮，大部分代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碼使用了基于C語言的對象實現(xiàn)。語言的對象實現(xiàn)。 Windows的很多系統(tǒng)服務(wù)運行在核心態(tài)，這使的很多系統(tǒng)服務(wù)運行在核心態(tài)，這使得得Windows更加高效，而且也是相當(dāng)穩(wěn)定的。更加高效，而且也是相當(dāng)穩(wěn)定的。 Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型21可移植性的獲得兩種手段兩種手段

18、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)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，因計算機而異的功能在而異的功能在HAL中實現(xiàn)。中實現(xiàn)。 Windows大量使用高級語言大量使用高級語言執(zhí)行體、設(shè)備驅(qū)動程執(zhí)行體、設(shè)備驅(qū)動程序等用序等用

19、C語言編寫，圖形用戶界面用語言編寫，圖形用戶界面用C+編寫。只有編寫。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。匯編語言代能極度敏感的部分是用匯編語言編寫的。匯編語言代碼分布集中且少。碼分布集中且少。 Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型22對稱多處理支持對稱多處理支持 非對稱多處理非對稱多處理(Asymmetric Multiprocessing, ASMP)：又稱主從模式又稱主從模式(Master-slave mode)。 主處理器：只有一個，運

20、行主處理器：只有一個，運行OS。管理整個系統(tǒng)的資源，。管理整個系統(tǒng)的資源，為從處理器分配任務(wù)；為從處理器分配任務(wù)； 從處理器：可有多個，執(zhí)行應(yīng)用程序或從處理器：可有多個，執(zhí)行應(yīng)用程序或I/O處理。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的）。植（通常要求硬件也是非對稱的）。 對稱多處理對稱多處理(Symmetric Multiprocessing, SMP)： 操作系統(tǒng)交替在各個處理器上執(zhí)行。任務(wù)負(fù)載較為操作系統(tǒng)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)容易平均，性能調(diào)節(jié)容易傻瓜式傻瓜式Win

21、dows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型23對稱多處理支持對稱多處理支持Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型24Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型對稱多處理支持對稱多處理支持Windows操作系統(tǒng)設(shè)計模型操作系統(tǒng)設(shè)計模型 Windows是一個支持是一個支持SMP的操作系統(tǒng)，操的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)本身和用戶線程可以在任何處理器作系統(tǒng)本身和用戶線程可以在任何處理器上運行上運行不存在主處理器不存在主處理器 不同版本支持的處理器數(shù)目不同：不同版本支持的處理器數(shù)目不同： Profession

22、al2 Server4 Advanced Server8 Datacenter Server3225系統(tǒng)支撐處理器系統(tǒng)支持進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程用戶程序環(huán)境子系統(tǒng)子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)硬件抽象層（HAL）執(zhí)行體核心設(shè)備驅(qū)動程序圖形引擎Windows的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)支持進(jìn)程服務(wù)進(jìn)程用戶程序環(huán)境子系統(tǒng)子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫執(zhí)行體內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動程序硬件抽象層（HAL）窗口與圖形26硬件抽象層（硬件抽象層（HAL） HAL=Hardware Abstraction Layer HAL是一個核心態(tài)模塊是一個核心態(tài)模塊（HAL.DLL），），它為運行它為運行Windows的硬件平臺提供低級接口。的

23、硬件平臺提供低級接口。 HAL隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，例如隱藏各種與硬件有關(guān)的細(xì)節(jié)，例如I/O接口、接口、中斷控制器以及多處理器通信機制等中斷控制器以及多處理器通信機制等 實現(xiàn)多種硬件平臺上的可移植性實現(xiàn)多種硬件平臺上的可移植性Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)27硬件抽象層（硬件抽象層（HAL）在在Windows發(fā)行介質(zhì)上有許多發(fā)行介質(zhì)上有許多HAL：Hal.dll標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)PCHalsmp.dll多處理器多處理器PCHalsp.dll Compaq SystemPro 安裝時根據(jù)硬件平臺選擇的模塊復(fù)制到系統(tǒng)中，安裝時根據(jù)硬件平臺選擇的模塊復(fù)制到系統(tǒng)中，并改名為并改名為Hal.d

24、llWindows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)28硬件抽象層（硬件抽象層（HAL）為了維護(hù)可移植性，為了維護(hù)可移植性，Windows內(nèi)部組件和用戶編寫內(nèi)部組件和用戶編寫的設(shè)備驅(qū)動程序并不直接訪問硬件，而是通過調(diào)用的設(shè)備驅(qū)動程序并不直接訪問硬件，而是通過調(diào)用Hal.dll中的例程。中的例程。READ_PORT_XXXWRITE_PORT_XXXREAD_PORT_BUFFER_XXXWRITE_PORT_ BUFFER_XXXREAD_REGISTER_XXXWRITE_ REGISTER_XXXREAD_ REGISTER_BUFFER_XXXWRITE_ REGISTER_ BUFFER

25、_XXXXXXUCHAR、USHORT、ULONG讀（寫）讀（寫）I/O端口端口從連續(xù)的從連續(xù)的I/O端口讀端口讀（寫）一組數(shù)據(jù)（寫）一組數(shù)據(jù)讀（寫）內(nèi)存映射讀（寫）內(nèi)存映射的設(shè)備寄存器的設(shè)備寄存器Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)29設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序 可加載的核心態(tài)模塊可加載的核心態(tài)模塊 I/O系統(tǒng)和相關(guān)硬件之系統(tǒng)和相關(guān)硬件之間的接口間的接口 WDM=Windows Driver Model 設(shè)備驅(qū)動程序的分類設(shè)備驅(qū)動程序的分類 硬件設(shè)備驅(qū)動程序操作硬件。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文件系統(tǒng)驅(qū)動程序接受面向文件的I/O請求，請求，并把它們轉(zhuǎn)化

26、為對特殊設(shè)備的并把它們轉(zhuǎn)化為對特殊設(shè)備的I/O請求。請求。 過濾器驅(qū)動程序截取過濾器驅(qū)動程序截取I/O并在傳遞并在傳遞I/O到下一層到下一層之前執(zhí)行某些特定處理。之前執(zhí)行某些特定處理。 Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)30內(nèi)核內(nèi)核 NTOSKRNL.EXE的下層的下層 內(nèi)核是內(nèi)核是對處理器體系結(jié)構(gòu)的抽象，將執(zhí)行體與處理器體對處理器體系結(jié)構(gòu)的抽象，將執(zhí)行體與處理器體系結(jié)構(gòu)的差異相隔離，保證系統(tǒng)的可移植性。大多數(shù)代系結(jié)構(gòu)的差異相隔離，保證系統(tǒng)的可移植性。大多數(shù)代碼用碼用C編寫，部分依賴于硬件體系結(jié)構(gòu)的代碼用匯編編寫編寫，部分依賴于硬件體系結(jié)構(gòu)的代碼用匯編編寫 功能功能 線程安排和調(diào)度

27、線程安排和調(diào)度 陷阱處理和異常調(diào)度陷阱處理和異常調(diào)度 中斷處理和調(diào)度中斷處理和調(diào)度 多處理器同步多處理器同步 供執(zhí)行體使用的基本內(nèi)核對象供執(zhí)行體使用的基本內(nèi)核對象 始終運行在核心態(tài)，代碼精簡，可移植性好。除了中斷始終運行在核心態(tài)，代碼精簡，可移植性好。除了中斷服務(wù)例程服務(wù)例程,正在運行的線程不能搶先內(nèi)核。正在運行的線程不能搶先內(nèi)核。Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)31 內(nèi)核對象內(nèi)核對象內(nèi)核實現(xiàn)了一組簡單的對象，稱為內(nèi)核對象，以幫內(nèi)核實現(xiàn)了一組簡單的對象，稱為內(nèi)核對象，以幫助內(nèi)核控制中心處理并支持執(zhí)行體對象的創(chuàng)建。助內(nèi)核控制中心處理并支持執(zhí)行體對象的創(chuàng)建。 控制對象控制對象包括異步

28、過程調(diào)用（包括異步過程調(diào)用（APC，asynchronous procedure call）對象、延遲過程調(diào)）對象、延遲過程調(diào)用（用（DPC，deferred procedure call）對象和幾個）對象和幾個由由I/O系統(tǒng)使用的對象，例如中斷對象。系統(tǒng)使用的對象，例如中斷對象。 調(diào)度程序?qū)ο笳{(diào)度程序?qū)ο筘?fù)責(zé)同步操作并影響線程調(diào)度。負(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（調(diào)度程序?qū)ο蟀▋?nèi)核線程、互斥體（Mutex）、）、事件（事件（Event）、內(nèi)核事件對、信號量）、內(nèi)核事件對、信號量（Semaphore）、定時器和可等待定時器）、定時器和可等待定時器 內(nèi)核內(nèi)核Win

29、dows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)32 硬件支持硬件支持 使得執(zhí)行體和設(shè)備驅(qū)動程序同硬件無關(guān)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)上可移實現(xiàn)手段：一組在多個體系結(jié)構(gòu)上可移植的、同語義的接口植的、同語義的接口 內(nèi)核也有部分代碼不具有移植性內(nèi)核也有部分代碼不具有移植性 支持虛擬支持虛擬8086模式的代碼，用以運行一些古模式的代碼，用以運行一些古老的老的16位位DOS程序程序 高速緩存管理高速緩存管理 描述表切換描述表切換內(nèi)核內(nèi)核Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)33執(zhí)行體執(zhí)行體Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 執(zhí)行體（執(zhí)行體（Executi

30、ve）是）是NTOSKRNL.EXE的的上上層層 執(zhí)行體應(yīng)該從兩種角度來理解：執(zhí)行體應(yīng)該從兩種角度來理解：1.執(zhí)行體提供了一組函數(shù)調(diào)用執(zhí)行體提供了一組函數(shù)調(diào)用2.執(zhí)行體本身由若干組件組成執(zhí)行體本身由若干組件組成34執(zhí)行體執(zhí)行體 提供的函數(shù)調(diào)用提供的函數(shù)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)的接口在口在NTDLL.DLL中。通過中。通過Win32API或一些其他的或一些其他的環(huán)境子系統(tǒng)可以對它們進(jìn)行訪問。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

31、不能使用。何文檔化的子系統(tǒng)函數(shù)都不能使用。 在在Windows DDK中已經(jīng)導(dǎo)出并且文檔化的核心態(tài)中已經(jīng)導(dǎo)出并且文檔化的核心態(tài)調(diào)用的函數(shù)。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。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)。組件內(nèi)部的函數(shù)。 Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)35 包含的功能實體包含的功能實體 進(jìn)程和線程管理器進(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的基本支持在Windows 2000內(nèi)核中實現(xiàn)，而執(zhí)行體給這些內(nèi)核中實

32、現(xiàn)，而執(zhí)行體給這些低級對象添加附加語義和功能。低級對象添加附加語義和功能。 虛擬內(nèi)存管理器虛擬內(nèi)存管理器實現(xiàn)實現(xiàn)“虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存”。內(nèi)存管理器也為高速。內(nèi)存管理器也為高速緩存管理器提供基本的支持。緩存管理器提供基本的支持。 安全引用監(jiān)視器安全引用監(jiān)視器在本地計算機上執(zhí)行安全策略。它保護(hù)了在本地計算機上執(zhí)行安全策略。它保護(hù)了操作系統(tǒng)資源，執(zhí)行運行時對象的保護(hù)和監(jiān)視。操作系統(tǒng)資源，執(zhí)行運行時對象的保護(hù)和監(jiān)視。 I/O管理器管理器執(zhí)行獨立于設(shè)備的輸入執(zhí)行獨立于設(shè)備的輸入/輸出，并進(jìn)一步處理調(diào)用輸出，并進(jìn)一步處理調(diào)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序。適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序。 高速緩存管理器高速緩存管理器通過將最近引用

33、的磁盤數(shù)據(jù)駐留在主內(nèi)存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。操作，這樣就可以實現(xiàn)快速訪問。Windows 2000/XP操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行體執(zhí)行體36 對象管理器對象管理器：創(chuàng)建、管理以及刪除：創(chuàng)建、管理以及刪除Windows的執(zhí)行體的執(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

34、步對象。進(jìn)程、線程和各種同步對象。 本地過程調(diào)用（本地過程調(diào)用（LPC，Local Procedure Call）機制）機制，在同一臺計算機上的客戶進(jìn)程和服務(wù)進(jìn)程之間傳遞信在同一臺計算機上的客戶進(jìn)程和服務(wù)進(jìn)程之間傳遞信息。息。LPC是一個靈活的、經(jīng)過優(yōu)化的是一個靈活的、經(jīng)過優(yōu)化的“遠(yuǎn)程過程調(diào)用遠(yuǎn)程過程調(diào)用”（RPC，Remote Procedure Call）版本。）版本。 一組廣泛的公用運行時函數(shù)一組廣泛的公用運行時函數(shù)，例如字符串處理、算術(shù)，例如字符串處理、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和完全結(jié)構(gòu)處理。運算、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

35、，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。象：資源和快速互斥體。 執(zhí)行體執(zhí)行體包含的功能實體包含的功能實體Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)37NTDLL 子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫 功能功能 提供系統(tǒng)調(diào)用入口提供系統(tǒng)調(diào)用入口 為子系統(tǒng)、子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫、及其他本為子系統(tǒng)、子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫、及其他本機映像提供內(nèi)部支持函數(shù)機映像提供內(nèi)部支持函數(shù) NTDLL也包含許多支持函數(shù)，例如映像也包含許多支持函數(shù)，例如映像加載程序、堆管理器和加載程序、堆管理器和Win32子系統(tǒng)進(jìn)程子系統(tǒng)

36、進(jìn)程通信函數(shù)以及通用運行庫。通信函數(shù)以及通用運行庫。 用戶態(tài)異步過程調(diào)用（用戶態(tài)異步過程調(diào)用（APC）調(diào)度器和異）調(diào)度器和異常調(diào)度器。常調(diào)度器。 Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)38環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng) 將基本的執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)的將基本的執(zhí)行體系統(tǒng)服務(wù)的某些子集以特定的形態(tài)展示某些子集以特定的形態(tài)展示給應(yīng)用程序給應(yīng)用程序 三種環(huán)境子系統(tǒng)：三種環(huán)境子系統(tǒng)：POSIX、OS/2和和Win32（OS/2 只能用只能用于于x86系統(tǒng)）系統(tǒng)） Win32子系統(tǒng)必須始終處于運行狀態(tài)，其他兩個子子系統(tǒng)必須始終處于運行狀態(tài)，其他兩個子系統(tǒng)只是在需要時才被啟動，系統(tǒng)只是在需要時才被啟動，Win32子

37、系統(tǒng)是子系統(tǒng)是Windows運行的基本條件之一。運行的基本條件之一。 函數(shù)調(diào)用不能在不同子系統(tǒng)之間混用，因此每一個函數(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)可執(zhí)行的映像都受限于唯一的子系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)39 Win32子系統(tǒng)子系統(tǒng) Win32環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程（環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程（CSRSS.EXE): 包括對下列功能的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、支支持：控制臺（文本）窗口、創(chuàng)建及刪除進(jìn)程與線程、支持持16位位DOS虛擬機（虛擬機（VDM）進(jìn)程的部分。）進(jìn)程的部分。 Win32子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫子系統(tǒng)動

38、態(tài)鏈接庫(User32.dll、Kernel32.dll、GDI32.dll)，將文檔化的，將文檔化的Win32 API函數(shù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆俏暮瘮?shù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆俏臋n化的核心系統(tǒng)服務(wù)檔化的核心系統(tǒng)服務(wù)(調(diào)用調(diào)用NTOSKRNL.EXE和和WIN32.SYS) 核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動程序（核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動程序（WIN32K.SYS）：）： 窗口管理器窗口管理器(User): 控制窗口顯示，管理屏幕輸出，實現(xiàn)控制窗口顯示，管理屏幕輸出，實現(xiàn)用戶界面用戶界面 圖形設(shè)備接口（圖形設(shè)備接口（GDI，Graphics Device Interfaces） 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、圖形設(shè)備驅(qū)動

39、程序，包括依賴于硬件的圖形顯示驅(qū)動程序、打印機驅(qū)動程序和視頻小型端口驅(qū)動程序。打印機驅(qū)動程序和視頻小型端口驅(qū)動程序。環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)40環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng) Win32子系統(tǒng)子系統(tǒng)Win32應(yīng)用程序應(yīng)用程序(client)CSRSS(server)Win32子系統(tǒng)子系統(tǒng)DLL子子系統(tǒng)系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫（動態(tài)鏈接庫（NTDLL）用戶態(tài)用戶態(tài)核心態(tài)核心態(tài)WIN32K.SYSLPC機制機制Windows操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)41環(huán)境子系統(tǒng)環(huán)境子系統(tǒng)當(dāng)一個應(yīng)用程序調(diào)用子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)時，可能會當(dāng)一個應(yīng)用程序調(diào)用子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)時，

40、可能會出現(xiàn)下面三種情況之一：出現(xiàn)下面三種情況之一： 函數(shù)完全在子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫的用戶態(tài)部分中實現(xiàn)，這時并沒有函數(shù)完全在子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫的用戶態(tài)部分中實現(xiàn)，這時并沒有消息發(fā)送到環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程，也沒有調(diào)用執(zhí)行體服務(wù)。函數(shù)在用戶消息發(fā)送到環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程，也沒有調(diào)用執(zhí)行體服務(wù)。函數(shù)在用戶態(tài)中執(zhí)行，結(jié)果返回到調(diào)用者。態(tài)中執(zhí)行，結(jié)果返回到調(diào)用者。例如：例如：GetCurrentProcessId 函數(shù)需要一個或多個對執(zhí)行體函數(shù)的調(diào)用。函數(shù)需要一個或多個對執(zhí)行體函數(shù)的調(diào)用。例如：例如：ReadFile,由子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫調(diào)用由子系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫調(diào)用Windows 系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)NtReadFile 函數(shù)要求某些工作在環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)程中進(jìn)行。在這