操作系统结构分析解析
计算机系统组成与层次结构解析
计算机系统组成与层次结构解析计算机系统是由各个组成部分相互协作而形成的，它是一个复杂而庞大的系统。
计算机系统的组成主要包括硬件系统、操作系统和应用软件，并按照一定的层次结构来组织和管理。
本文将对计算机系统的组成和层次结构进行深入解析。
一、硬件系统1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，它负责执行各种命令和控制计算机的运行。
CPU主要由控制单元和算术逻辑单元组成，通过控制单元对外部输入进行解析和判断，并指挥算术逻辑单元进行数据处理和运算。
2. 存储器存储器用来存储计算机的指令和数据，分为主存和辅助存储器两种。
主存储器是计算机运行时的临时存储空间，辅助存储器则用于永久性地存储大量的数据和程序。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外界进行数据交换。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等，输出设备则包括显示器、打印机和声音播放器等。
二、操作系统操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理和调度计算机的各个硬件资源，提供公共服务和接口。
操作系统的功能包括进程管理、文件管理和存储管理等。
1. 进程管理操作系统通过进程管理来管理计算机上运行的各个程序。
它负责分配和回收计算机的处理器资源，并确保各个进程按照优先级合理地运行。
2. 文件管理文件管理是操作系统负责管理计算机上的文件和目录结构。
它提供了文件的创建、读取、写入和删除等功能，并通过文件系统来组织和存储文件。
3. 存储管理存储管理是操作系统负责管理计算机存储器的一项重要任务。
它负责为进程和文件分配空间，并进行存储空间的回收和整理。
三、应用软件应用软件是计算机系统的最高层次，它通过操作系统提供的接口与硬件进行交互，并为用户提供各种功能和服务。
1. 办公软件办公软件包括文字处理软件、电子表格软件和演示文稿软件等，它们为用户提供了创建、编辑和展示各种办公文档的功能。
2. 图形图像处理软件图形图像处理软件主要用于编辑和处理图形和图像。
它们提供了各种绘图和编辑工具，使用户能够创建和修改各种类型的图形和图像。
Windows操作系统中的USB 2.0体系结构分析
ｒ ｏ ｕ ｅ ｉｅ ｓａ ｋ ａ ｄ ｈ ｓ ｏ ｔ ｌ ｒｄ ｖｃ ｔｃ ．Ｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｔ ｏ ｏ ｅ ａｉ ｇ ｓ ｓ ｏ ｔｈ ｂ ｄ ｖｃ ｔｃ ｎ ｏ ｔ ｎｒ ｌ ｅ ｉｅ ｓ ｋ ｈ ｉ ｅ ｃ ｅｗ ｅ ｓ ｗ ｐ ｒ ｔ ｙ — ｃ ｏｅ ａ ｅ ｈ ｎ
摘
要 ： ｎｏｓ Ｕ Ｂ ． Ｗｉｄｗ 的 Ｓ ２ ０体系结构包括两个重要 的核心 内容 ： Ｓ Ｕ Ｂ驱动程 序栈和 Ｕ Ｂ设备栈 。Ｗｉｄｗ Ｐ Ｓ ｎ ｏ ｓＸ
Hale Waihona Puke 和 Ｗｉｄｗ ０ ０的驱动程序栈均由主机控制器 驱动程序 、 ｎｏｓ ０ ２ 总线 驱动程 序和 客户设备 驱动程 序 ３层 构成 。Ｗｉ ｎ — ｄｗ Ｐ设备栈包括客户设备栈 、 ｏｓ Ｘ 基类复合设备 、 根集线器设 备栈和 主机 控制器设备 栈 ； ｎ ｏ ｓ ００ Ｕ Ｂ设备 Ｗｉｄｗ ０ Ｓ ２
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Ｗｉｄ ｗ 操 作 系 统 中 的 Ｕ Ｂ ２ ０体 系 结 构 分 析 术 ｎｏｓ Ｓ ．
杨 智君 ， 晓庆 ，吴昭春 马
（ 中国计量科学研究 院 北京 １０ １ ） ００ ３
栈 由客户设备栈 、 基类复合设备 、 根集 线器 设备栈 和 主机控 制器设 备栈 构成 。在阐述 Ｗｉｄｗ Ｐ和 Ｗｉ ｏ ｓ ｎ ｏ ｓＸ ｎ ｗ ｄ
２０ ００驱动程 序栈的基础上 ， 对两者存 在的区别进行 了对 比分析 ， Ｗｉｄｗ 平 台下的 Ｕ Ｂ ． 对 ｎｏ ｓ Ｓ ２ ０驱动程序开 发具 有很好的参考价值 。 关键词 ： Ｓ ． ； Ｕ Ｂ２ ０ 体系结构 ； 动程序栈 ；设备栈 驱
Linux操作系统实验总结分析报告
Linux操作系统实验总结分析报告从系统的⾓度分析影响程序执⾏性能的因素1.Linux系统概念模型从全局的⾓度来看，Linux系统分为内核空间和⽤户空间，但毫⽆疑问内核空间是Linux系统的核⼼，因为内核负责管理整个系统的进程、内存、设备驱动程序、⽂件，决定着系统的性能和稳定性。
于是从这个⾓度我构建的Linux系统的概念模型如下图所⽰：此模型将Linux系统主要划分为四个模块：内存管理、进程管理、设备驱动程序、⽂件系统。
这四个部分也是⼀个操作系统最基本也是最重要的功能。
2.概念模型解析2.1 内存管理Linux系统采⽤虚拟内存管理技术，使得每个进程都有各⾃互不⼲涉的进程地址空间。
该空间是块⼤⼩为4G的线性虚拟空间，⽤户所看到和接触到的都是该虚拟地址，⽆法看到实际的物理内存地址。
利⽤这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果（⽤户不能直接访问物理内存），⽽且更重要的是，⽤户程序可使⽤⽐实际物理内存更⼤的地址空间。
内存管理主要有分为如下⼏个功能：地址映射、虚拟地址管理、物理内存管理、内核空间管理、页⾯换⼊换出策略和⽤户空间内存管理，这些模块的架构图如下所⽰：2.2 进程管理进程管理是Linux系统⾮常重要的⼀部分，进程管理虽然不像内存管理、⽂件系统等模块那样复杂，但是它与其他⼏个模块的联系是⾮常紧密的。
进程管理主要包括进程的创建、切换、撤销和进程调度。
2.2.1 进程的创建、切换、撤销进程的创建：在Linux编程中，⼀般采⽤fork()函数来创建新的进程，当然，那是在⽤户空间的函数，它会调⽤内核中的clone()系统调⽤，由clone()函数继续调⽤do_fork()完成进程的创建。
整个进程创建过程可能涉及到如下函数：fork()/vfork()/_clone----------->clone()--------->do_fork()---------->copy_process()进程的切换：进程切换⼜称为任务切换、上下⽂切换。
Minix系统核心数据结构及核心操作分析
Minix 系统核心数据结构及核心操作分析华中科技大学计算机学院 计算机系统结构 张寅摘要：本文主要以Minix 操作系统为例介绍有关操作系统的关键数据结构以及相关的操作。
主要涉及Minix 的内核、进程结构及管理、存储管理、文件系统几个方面。
通过对其的分析，能够较好的理解操作系统的实现原理。
关键字：Minix 核心，操作系统，核心分析1.Minix 进程1.1 Minix 内部结构首先大致了解一下Minix3的整体结构。
Minix3被组织成四层，每一层都有一套定义明确的功能模块。
如下图所示。
本节关心Minix 的内核和进程管理器，文件系统模块在后续小节会介绍。
其他模块不作介绍，读者可以参考相关书籍。
图1.1 Minix3的四层结构Minix3的进程管理主要由进程管理器（Process Manager ，PM ）来实现。
而像进程调度等进程重要相关的管理功能交由内核来管理。
Minix3把进程管理分开实现可能是为了实现微内核结构。
在这里，把Minix 的内核相关结构和操作归入进程管理来一起论述。
后面可以看到，进程管理器还包括的存储管理功能，因此在Minix 存储管理部分还要介绍进程管理器。
1.2 Minix 内核内核进行最底层的进程调度，负责进程在就绪态、运行态、阻塞态之间的转换。
内核还会处理所有进程间的消息。
出内核本身外，内核层还包括类似设备驱动的功能模块：时钟任务、系统任务。
尽管时钟任务和系统被编译进了内核地址空间，但它们作为单独的进程调度，并用自己的堆栈。
大部分内核程序和所有的时钟任务及系统任务由C 语言编写。
汇编语言编用户进程内核 设备驱动程序服务器进程写的部分负责中断处理、进程切换的底层上下文管理、MMU硬件的底层操作。
下面介绍时钟任务和系统任务，因为这两者为内核提供基本支持。
时钟（定时器）是任何分时系统运行所必需的。
系统时钟由硬件定时器产生。
定时器每计数完一次，便产生一个硬件中断，这称为一个系统滴答，然后再由时钟中断处理程序处理相关操作。
操作系统第二次实验报告——Linux创建进程及可执行文件结构分析
操作系统第⼆次实验报告——Linux创建进程及可执⾏⽂件结构分析0 个⼈信息张樱姿201821121038计算18121 实验⽬的熟练Linux创建进程fork操作。
2 实验内容在服务器上⽤VIM编写⼀个程序：⼀个进程创建两个⼦进程。
查看进程树查看进程相关信息3 实验报告 3.1编写程序创建两个⼦进程1 #include<sys/types.h>2 #include<stdio.h>3 #include<unistd.h>45int main(){6 pid_t cpid1 = fork(); //创建⼦进程178if(cpid1<0){9 printf("fork cd1 failed\n");10 }11else if(cpid1==0){12 printf("Child1:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());13 }14else{15 pid_t cpid2 = fork(); //创建⼦进程216if(cpid2<0){17 printf("fork cd2 failed\n");18 }19else if(cpid2==0){20 printf("Child2:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());21 }22else{23 printf("Parent: pid :%d\n",getpid());24 }25 }26 }编译运⾏后的结果：3.2打印进程树 添加sleep函数以挂起进程，⽅便打印进程树：1 #include<sys/types.h>2 #include<stdio.h>3 #include<unistd.h>45int main(){6 pid_t cpid1 = fork();78if(cpid1<0){9 printf("fork cd1 failed\n");10 }11else if(cpid1==0){12 printf("Child1:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());13 sleep(30); //挂起30秒14 }15else{16 pid_t cpid2 = fork();17if(cpid2<0){18 printf("fork cd2 failed\n");19 }20else if(cpid2==0){21 printf("Child2:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());22 sleep(30); //挂起30秒23 }24else{25 printf("Parent: pid :%d\n",getpid());26 sleep(60); //挂起60秒27 }28 }29 }pstree -p pid #打印进程树 3.3 解读进程相关信息 3.3.1 解释执⾏ps -ef后返回结果中每个字段的含义 ps -ef输出格式 :UID PID PPID C STIME TTY TIME CMDUID: User ID，⽤户ID。
minix操作系统设计与实践 概述及解释说明
minix操作系统设计与实践概述及解释说明1. 引言1.1 概述引言部分将对整篇长文进行简要概述，并介绍文章的结构和目的。
本文将讨论MINIX操作系统的设计与实践，包括MINIX的概述、设计原则以及实践应用等方面内容。
同时，我们还会对MINIX的内核架构进行详细分析，包括内核组成部分、进程管理子系统以及文件系统子系统等。
此外，我们也会介绍MINIX的用户界面和工具集，包括用户界面概述、Shell命令解析器以及编译和调试工具链等内容。
最后，文章将以总结和展望作为结尾。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、MINIX操作系统设计与实践、MINIX内核架构分析、MINIX用户界面和工具集介绍以及结论。
其中，引言部分主要是对全文进行简要概述，并介绍了每个部分的内容安排。
1.3 目的本文旨在深入了解和解释MINIX操作系统的设计与实践，并对其各个方面进行详细探讨。
通过对MINIX操作系统的研究，在学术领域中推动操作系统领域的发展，并为读者提供一个全面了解MINIX操作系统的参考资料。
此外，通过对MINIX内核架构和用户界面工具集的分析，读者将能够更好地掌握操作系统的设计原则和实践应用，从而为自己的研究和开发工作提供有益指导。
以上是引言部分的内容，主要包括概述、文章结构和目的三个方面的说明。
希望能够清晰明了地介绍本文的主题和内容安排，以吸引读者继续阅读。
2. MINIX操作系统设计与实践:2.1 MINIX概述:MINIX是一个小型的Unix-like操作系统，由Andrew S. Tanenbaum 教授在1987年首次发布。
它的名称“MINIX”代表“Minimal Unix”，这意味着它被设计成轻量级且具有最基本的功能。
MINIX旨在用于教学目的，并作为学生了解操作系统原理和实践的工具。
2.2 MINIX设计原则:MINIX的设计遵循几个关键原则。
首先，它被设计成非常模块化和可扩展的，使得内核中的各个功能模块可以独立开发、测试和维护。
操作系统结构与功能分析
调用层次关系 ， 只能 由 上 层 模 块 调 用 下 层 模 块 ， 样 约 束 这
了系 统 中模 块 间 交 互 方 式 ， 得 系 统 结 构 更 为 清 晰 。不 使
在 不 断 的发 展 与 变 化 中 ， 件 系 统 不 可 能 一 成 不 变 。新 需 软
文献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：６ ２ ７ ０ （ ０ １ Ｏ 一 ０ ９０ １ ７ —８ ０ ２ １ ） ｌ０ ２ —２
的矛 盾 ， 试 为 大 系 统 、 杂 系 统 的 构 造 制 定 规 则 。进 程 尝 复
１ 操 作 系统 的 结构
软 件 是 典 型 的 知 识 产 品 ， 有 结 构 的 ， 作 系 统 也 不 是 操
本 的 功 能包 括 中 断 与 异 常 处 理 、 程 管 理 、 址 空 间 映 射 线 地 及 基 于 消息 机 制 的 任 务 间 通 信 。 内 核 所 提 供 的 消 息 机 制 支持 多个 用 户进 程 间 及 其 与 服 务 器 进 程 间 的 通 信 。微 内 核 结 构 的优 点 是 ： 内 核 精 简 ， 移 植 性 好 ； 稳 定 性 、 ① 可 ② 安
系 统 中 最 基 本 的 功 能 放 在 内 核 模 式 下 执 行 。 内 核 中 最 基
而 治 之” 系统 开 发思 路 。结 构 化 程序 设 计 方 法 为 这 种 结 的
构 的 系统 开 发提 供 了有 效 支 持 。 为 支 持 多 道 程 序 运 行 ， 操 作 系统 的研 究 人 员 提 出 了进 程 的 概 念 ， 计 了 分 时 系 统 ； 设 提 出 了虚 拟 存 储 的概 念 ， 紧张 的 内存 中 可运 行 较 大 的程 在
系统数据结构设计
系统数据结构设计一、引言系统数据结构设计是指在软件开辟过程中，根据系统需求和功能，设计合适的数据结构以存储和组织数据。
良好的数据结构设计可以提高系统的性能、可维护性和可扩展性。
本文将详细介绍系统数据结构设计的标准格式，包括需求分析、数据结构设计、数据类型选择、数据操作等方面。
二、需求分析在进行系统数据结构设计之前，首先需要进行需求分析，明确系统的功能和数据需求。
需求分析包括以下几个方面：1. 系统功能需求：明确系统的主要功能和模块，包括数据的输入、处理和输出等。
2. 数据需求：根据系统功能需求，确定系统所需的数据类型和数据结构。
例如，如果系统需要存储学生信息，那末需要设计适合存储学生信息的数据结构。
3. 数据关系：分析数据之间的关系，包括一对一、一对多、多对多等关系。
根据不同的关系，选择合适的数据结构来存储和表示数据。
4. 数据操作需求：确定系统对数据的操作需求，包括数据的插入、删除、修改和查询等操作。
根据操作需求，设计相应的数据结构和算法。
三、数据结构设计在进行数据结构设计时，需要根据需求分析的结果，选择合适的数据结构来存储和组织数据。
常用的数据结构包括数组、链表、栈、队列、树、图等。
1. 数组：适合于存储具有相同数据类型的数据，可以通过下标进行快速访问。
例如，可以使用数组来存储学生的成绩。
2. 链表：适合于需要频繁插入和删除数据的场景，可以通过指针进行快速访问。
例如，可以使用链表来存储学生的个人信息。
3. 栈：适合于后进先出（LIFO）的数据操作，可以用于实现函数调用、表达式求值等功能。
4. 队列：适合于先进先出（FIFO）的数据操作，可以用于实现任务调度、消息队列等功能。
5. 树：适合于具有层次关系的数据，可以用于存储组织结构、文件系统等。
6. 图：适合于表示复杂的关系网络，可以用于存储社交网络、路由网络等。
四、数据类型选择在进行数据结构设计时，需要选择合适的数据类型来存储数据。
常用的数据类型包括整型、浮点型、字符型、字符串型、布尔型等。
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1.5
Example
处理文档 电话铃响 暂停文档 文档中作暂停记号 电话交谈 找出暂停记号位置 继续处理文档
执行主程序(日常事务程序) 中断申请信号有效 (中断请求) 暂停执行主程序响应中断 当前PC及寄存器入栈(保护现场) 处理外设要求(中断服务) 寄存器及PC出栈(恢复现场及中断返回 ) 继续执行主程序
–
e.g., only higher-priority interrupts may be handled
resumes the interrupted program
Most modern OSes are interrupt-driven
Operating System Concepts – 6th Edition
Device controllers
I/O devices and the CPU can execute concurrently(并发）. Each device controller is in charge of a particular device
type. Each device controller has a local buffer. CPU moves data from/to main memory to/from local buffers I/O is from the device to local buffer of controller. Device controller informs CPU that it has finished its operation by causing an interrupt.
Operating System Concepts – 6th Edition
1.2
The Hardware of a Modern Computer System
Operating System Concepts – 6th Edition
1.3
Computer-System Structures (1): Input/Output
After I/O starts, control returns to user program only upon I/O completion
triggered by special instructions in user program
Other than the above, handling of interrupts and traps is identical Traps are the hardware mechanism for implementing system calls
Operating System Concepts – 6th Edition
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.8
I/O Operation
Two approaches: Synchronous（同步） and Asynchronous（异步）
Operating System Concepts – 6th Edition
Operating System Concepts – 6th Edition
1.4
Interrupt Handling
Interrupts are “asynchronous（异步） requests for service”
signal on a wire connecting the devices preserves the present CPU state
When an interrupt occurs, the CPU
this includes its registers and program counter this may be dependent on the source of the interrupt（中断源） typically, table-driven: a table stores addresses of interrupt handlers
Operating System Concepts – 6th Edition
1.6
Interrupt Handling (contd.)
Operating System Concepts – 6th Edition
1.7
Interrupts vs. Traps
Interrupts
asynchronous（异步）
After I/O starts, control returns to user program without waiting for I/O completion
Triggered（触发） by devices outside the CPU Traps（陷阱） synchronous（同步）
memory, secondary storage, tape
Hardware support for protection different views: functional, components, services, structure
Operating-system structures
–
forces execution of code at an interrupt address
indexed by the interrupt number (ISR 中断服务程序)
interrupt handlers
perform the requested service selective processing of other interrupts
Chapter 2: Computer System and OS Structures
Chapter 2: Computer System and OS Structures
Computer-system structures
I/O structures Storage structures and hierarchy