操作系统的体系结构

本文详细介绍了操作系统的体系结构,包括从不同视角理解操作系统、操作系统的基本构件及其功能,还深入探讨了三种典型的操作系统体系结构:单一内核结构、层次结构及微内核结构,帮助读者全面了解操作系统的工作原理。

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1、什么是操作系统的体系结构

---- 从用户角度看,操作系统所体现的是它提供的各种各样的服务

---- 从程序员角度看,操作系统体现的是提供给用户的界面和接口

---- 从设计人员的角度看,操作系统是一大堆模块和它们之间的相互联系

这便是操作系统的体系结构。

2、操作系统的构件

---- 通常把组成操作系统的基本单位称为构件,基本的操作系统构件有内核进程线程管程等。

---- 内核是作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作的一组程序模块,内核通常驻留在内核空间,运行于内核态

---- 内核具有访问硬件设备所有主存空间的权限,是仅有的能执行特权指令的那部分程序。

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操作系统内核的功能:资源抽象,资源分配,资源共享

---- 资源抽象:用软件抽象硬件资源,简化对其所执行的操作,屏蔽低层的物理细节。

---- 资源分配:把所抽象的各种资源分配给多个应用程序使用,并负责回收资源。

---- 资源共享:根据资源的类型和特性,提供不同的机制以确保进程获得所需资源,允许进程共享资源并提供共享的同步和互斥机制。

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操作系统内核的基本属性有:

---- 内核是由中断驱动的

只有在发生中断或异常事件时,才由硬件交换PSW引出操作系统内核工作,且在CPU完成中断或异常事件之后,内核自行退出。

---- 内核是不可抢占的。(传统操作系统)

意味着在内核中运行的进程即便其时间片已经用完,也不能被其他进程抢占,除非它自愿放弃CPU。

---- 内核部分程序在屏蔽中断状态下执行。

虽然内核是不可抢占的,但是可以被中断。所以在处理某个中断时,为了避免中断嵌套可能引起错误,必须屏蔽这一级中断,甚至暂时

屏蔽其他一些中断。

---- 内核可以使用特权指令。

操作系统规定特权指令只在内核态下由内核使用,以防系统出现混乱,加强系统的安全性。

3、基本的操作系统体系结构

---- 单一内核结构

也称为模块化结构,主要通过一种称之为系统调用的API机制对外层的用户程序提供服务。整个内核采用模块化设计。

模块之间借助于接口进行通信。

优点:结构简单、性能较高、由于大部分模块均在内核中,所以安全性较高。

缺点:核心组件没有保护,核心模块间关系复杂,可扩展性差。

---- 层次结构

内核系统由若干个层次构成,最底层是硬件裸机,最高层是应用服务。

层与层之间的调用关系严格遵守调用规则,每一层只能访问位于其下层所提供的服务,利用它的下层提供的服务来实现本层功能并为其上层

提供服务,每一层不能访问位于其上层所提供的服务。

优点:便于系统调用和验证,把整体问题局部化(最大优点)

缺点:模块之间必须建立通信机制,系统花费在通信上的开销较大,系统效率会降低。

---- 微内核结构

又称为客户机/服务器结构。它尽可能多的从操作系统内核中去掉东西,只留下一个很小的内核,由用户进程实现大多数操作系统的功能。

为了得到某项服务,比如读一文件块,用户进程(即客户机进程)把请求发给服务器进程,随后服务器进程完成这个操作并返回信息。

这类操作系统内核的全部工作是处理客户机与服务器之间的通信。

操作系统被分为多个部分,每个部分仅处理一个方面的功能,如文件服务、进程服务或存储器服务等,每个部分小,易于管理。

所有的服务都以用户进程的形式运行,不在内核态下运行,所以不直接访问硬件。

优点:较高的灵活性和可扩展性,适合分布式系统。

缺点:每次应用程序对服务器的调用都要经过两次内核态和用户态的切换,效率较低。

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在无线通信领域,天线阵列设计对于信号传播方向和覆盖范围的优化至关重要。本题要求设计一个广播电台的天线布局,形成特定的水平面波瓣图,即在东北方向实现最大辐射强度,在正东到正北的90°范围内辐射衰减最小且无零点;而在其余270°范围内允许出现零点,且正西和西南方向必须为零。为此,设计了一个由4个铅垂铁塔组成的阵列,各铁塔上的电流幅度相等,相位关系可自由调整,几何布置和间距不受限制。设计过程如下: 第一步:构建初级波瓣图 选取南北方向上的两个点源,间距为0.2λ(λ为电磁波波长),形成一个端射阵。通过调整相位差,使正南方向的辐射为零,计算得到初始相位差δ=252°。为了满足西南方向零辐射的要求,整体相位再偏移45°,得到初级波瓣图的表达式为E1=cos(36°cos(φ+45°)+126°)。 第二步:构建次级波瓣图 再选取一个点源位于正北方向,另一个点源位于西南方向,间距为0.4λ。调整相位差使西南方向的辐射为零,计算得到相位差δ=280°。同样整体偏移45°,得到次级波瓣图的表达式为E2=cos(72°cos(φ+45°)+140°)。 最终组合: 将初级波瓣图E1和次级波瓣图E2相乘,得到总阵的波瓣图E=E1×E2=cos(36°cos(φ+45°)+126°)×cos(72°cos(φ+45°)+140°)。通过编程实现计算并绘制波瓣图,可以看到三个阶段的波瓣图分别对应初级波瓣、次级波瓣和总波瓣,最终得到满足广播电台需求的总波瓣图。实验代码使用MATLAB编写,利用polar函数在极坐标下绘制波瓣图,并通过subplot分块显示不同阶段的波瓣图。这种设计方法体现了天线阵列设计的基本原理,即通过调整天线间的相对位置和相位关系,控制电磁波的辐射方向和强度,以满足特定的覆盖需求。这种设计在雷达、卫星通信和移动通信基站等无线通信系统中得到了广泛应用。
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