UNIX/LINUX操作系统内核结构

通用操作系统的现状和分类


UNIX操作系统的根本特点：分时多用户、开放性

基本功能特征



系统结构

操作系统核心
系统调用的集合及实现系统调用的内部算法就形成操作系统核心

系统调用
以函数形式提供给核外的命令和上层应用系统使用的一组程序，涵盖操作系统的所有功能。是应用程序请求操作系统服务的唯一通道。

进程和文件是UNIX操作系统中最基本的两个概念
进程：
所有处在运行期间的程序实例都是进程
一个进程就是处在运行期间的一个程序实例
涵盖所有的动态概念
文件
所有静态的无形数据和有形硬件设备
源程序、命令、图片、邮件、 打印机、内存、磁盘等

UNIX文件系统特征
1、树状层次结构
树根、树枝、树叶、路径
2、对文件数据的一致对待
文件为有序无格式的字节流，逻辑意义由使用者解释
3、文件管理
建立、删除、修改、备份、移动、替换 —— 上层操作
存储空间的分配和释放 —— 下层操作
4、文件的访问和保护
索引节点（inode）、文件描述符(fd)
用户分组、权限划分
5、设备文件管理
统一各外部设备的访问模式

程序与进程


程序的执行

构件原语
源于“软件复用”和“模块组装”理念
程序内部：简单功能划分；纯代码设计
程序外部：使用构件原语进行功能重叠和组装

NUIX包含两种构件原语

1. 输入/输出重定向
2. 管道

I/O重定向
一个进程通常(default)打开三个文件：
标准输入文件（fd=0）
标准输出文件（fd=1）
标准错误输出文件（fd=2）

管道

A进程将标准输出重新定向到管道中去；
B进程将标准输入重新定向从管道中来。

UNIX操作系统提供五种主要的服务
1．进程管理
建立、终止、挂起、通信等
2．时钟管理
分时共享cpu，时间片，调度
3．存储管理
二级存贮器（内存和对换区），分配主存
4．文件系统管理
文件操作：读、写、更名、拷贝 ……
二级存贮管理：分配和收回存贮区和索引节点
5．设备管理
对I/O设备进行有控制的存取（多进程系统的特征）

内核提供的服务的特点：服务是透明的
①文件类型透明：
用户可不关心是普通文件还是外部设备，但O.S自己要关心文件类型！
②文件系统的透明：
文件系统类型、存放的物理位置。
③存贮方式透明：
文件的存放位置、存放方式、存放格式
④各用户进程能得到核心相同服务：
无论系统程序还是用户程序，平等对待，分时运行

硬件假设（假设机器硬件只支持的运行状态）
UNIX系统上进程的执行分成两种状态：用户态、 核心态
用户态：进程正在执行用户代码时的状态
核心态：进程正在执行系统代码（系统调用）时的状态

一个进程在运行时必须处在，而且只能处在或者核心态或者用户态下：


核心——处在核心态下的进程的相应部分的集合

硬件是按核心态和用户态来执行操作的，但对这两种状态下正在执行程序的多个用户是相同对待的。

中断与例外

UNIX系统中的存储管理原则(或特点)：
1．当前正在执行的进程（全部或部分）驻留在主存中；
2．核心是永远驻留在主存中的（是永远活动的！）；
3．编译程序产生的指令地址是虚地址（逻辑地址）；
4．程序运行时核心与硬件（存储管理部件MMU）一起建立虚地址到物理地址的映射


“文件”和“进程”是UNIX系统的两个最基本实体和中心概念，UNIX系统的所有操作都是以这两者为基础的。整个系统核心由以下五个部分组成：