采用微内核结构的操作系统设计的基本思想是内核只完成操作系统最基本的功能并在核心态..

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第46题

知识点：操作系统的结构操作系统存储器基本思想结构图进程进程调度进程间通信其他功能微内核结构

关键词：操作系统存储器服务器进程调度进程间通信微内核系统设计用户态进程通信章/节：操作系统

采用微内核结构的操作系统设计的基本思想是内核只完成操作系统最基本的功能并在核心态下运行，其他功能运行在用户态，其结构图如下所示。图中空（a）、（b）、（c）和（d）应分别选择如下所示①~④中的哪一项? （）。
①核心态 ②用户态 ③文件和存储器服务器 ④进程调度及进程间通信

A. ①、②、③和④

B. ④、③、②和①

C. ③、④、②和①

D. ③、①、④和②

相关试题：操作系统的类型与结构

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第51题 2011年上半年

48%

微内核体系结构的操作系统（OS)实现时的基本思想是（51)，其结构图如下所示，图中①②③④应填写（52)。

第52题 2011年上半年

56%

微内核体系结构的操作系统（OS)实现时的基本思想是（51)，其结构图如下所示，图中①②③④应填写（52)。


知识点讲解
· 操作系统的结构 · 操作系统 · 存储器 · 基本思想 · 结构图 · 进程 · 进程调度 · 进程间通信 · 其他功能 · 微内核结构

操作系统的结构

操作系统的结构可以分为无序结构、层次结构、面向对象结构、对称多处理结构和微内核结构。

（1）无序结构，又称整体结构或模块组合结构。它以大型表格和队列为中心，操作系统的各部分程序围绕着表格运行，整个系统是一个程序。这种操作系统常称为面向过程的操作系统。操作系统由许多标准的、可兼容的基本单位构成（称为模块），各模块相对独立，模块之间通过规定的接口相互调用。模块化设计方法的优点是缩短了系统的开发周期，缺点是模块之间调用关系复杂、相互依赖，从而使分析、移植和维护系统较易出错。

（2）层次结构。把一个大型复杂的操作系统分解成若干个单向依赖的层次，由多层的正确性保证操作系统的可靠性。层次结构清晰，大大地简化了接口的设计，且有利于系统功能的增加或删改，易于保证可靠性，也便于维护和移植。

（3）面向对象结构。基于面向对象程序设计的概念，采用了各种不同的对象技术。在计算机系统中对象是操作系统管理的信息和资源的抽象，是一种抽象的数据类型。可以把对象作为系统中的最小单位；由对象、对象操作、对象保护组成的操作系统，就是面向对象的操作系统。如Windows Server中有执行体对象（例如，进程、线程、文件和令牌等）和内核对象（例如，时钟、事件和信号等）。面向对象结构的优点是适用于网络操作系统和分布式操作系统。

（4）对称多处理结构。如果一个操作系统在系统中的所有处理机上运行且共享同一内存（内存储器、主存、实存），这样的系统就是一个对称多处理系统。优点是适合共享存储器结构的多处理机系统，即紧耦合的多处理机系统。

（5）微内核结构。把系统的公共部分抽象出来，形成一个底层核心，提供最基本的服务，其他功能以服务器形式建立在微内核之上。它具有良好的模块化和结构化特征，模块之间和上下层之间通过消息来通信。建立在微内核上的服务器可以根据不同的需要构造，从而形成不同的操作系统。

现代操作系统大多拥有两种工作状态：核心态和用户态。我们使用的一般应用程序工作在用户态，而内核模块和最基本的操作系统核心工作在核心态。

微内核结构由一个非常简单的硬件抽象层和一组比较关键的原语或系统调用组成，这些原语仅仅包括了建立一个系统必需的几个部分，如线程管理，地址空间和进程间通信等。微内核的目标是将系统服务的实现和系统的基本操作规则分离开来。例如，进程的输入／输出锁定服务可以由运行在微内核之外的一个服务组件来提供。这些非常模块化的用户态服务用于完成操作系统中比较高级的操作，这样的设计使内核中最核心的部分的设计更简单。一个服务组件的失效并不会导致整个系统的崩溃，内核需要做的，仅仅是重新启动这个组件，而不必影响其他的部分。

微内核技术的主要优点如下：

（1）统一的接口，在用户态和核心态之间无须进程识别。

（2）可伸缩性好，能适应硬件更新和应用变化。

（3）可移植性好，所有与具体机器特征相关的代码，全部隔离在微内核中，如果操作系统要移植到不同的硬件平台上，只需修改微内核中极少代码即可。

（4）实时性好，微内核可以方便地支持实时处理。

（5）安全可靠性高，微内核将安全性作为系统内部特性来进行设计，对外仅使用少量应用编程接口。

（6）支持分布式系统，支持多处理器的体系结构和高度并行的应用程序。

（7）真正面向对象的操作系统。

由于操作系统核心常驻内存，而微内核结构精简了操作系统的核心功能，内核规模比较小，一些功能都移到了外存上，所以微内核结构十分适合嵌入式的专用系统，对于通用性较广的系统，将使CPU的通信开销增大，从而影响到计算机的运行速度。

操作系统

编写嵌入式软件有两种选择：一是自己编写内核；二是使用现成的操作系统。如果嵌入式软件只需要完成一项非常小的工作，例如在电动玩具、空调中，就不需要一个功能完整的操作系统。但如果系统的规模较大、功能较复杂，那么最好还是使用一个现成的操作系统。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统有很多，但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑：

（1）操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工具，因此，还必须从操作系统供应商处获得编译器、调试器等；而有的操作系统应用广泛，且有第三方工具可用，因此选择的余地比较大。

（2）操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性程度高的操作系统，以避免因移植带来的种种困难。

（3）操作系统的内存要求，有些操作系统对内存有较大要求。

（4）操作系统的可剪裁性、实时性能等。

存储器

计算机系统中包括各种存储器，如CPU内部的通用寄存器组和Cache（高速缓存）、CPU外部的Cache、主板上的主存储器、主板外的联机（在线）磁盘存储器以及脱机（离线）的磁带存储器和光盘存储器等。不同特点的存储器通过适当的硬件、软件有机地组合在一起形成计算机的存储体系层次结构，位于更高层的存储设备比较低层次的存储设备速度更快、单位比特造价也更高。其中，Cache和主存之间的交互功能全部由硬件实现，而主存与辅存之间的交互功能可由硬件和软件结合起来实现。

存储器的分类

按存储器所处的位置分类

按存储器所处的位置可分为内存和外存。

（1）内存。也称为主存（Main Memory），设在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向CPU提供信息。相对于外存，其特点是容量小、速度快。

（2）外存。也称为辅存，如磁盘、磁带和光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，而在需要时调入内存。

按存储器的构成材料分类

按构成存储器的材料可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。

（1）磁存储器。磁存储器是用磁性介质做成的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带及磁盘等。

（2）半导体存储器。根据所用元器件又可分为双极型和MOS型；根据数据是否需要刷新又可分为静态（Static memory）和动态（Dynamic memory）两类。

（3）光存储器。利用光学方法读／写数据的存储器，如光盘（Optical Disk）。

按存储器的工作方式分类

按存储器的工作方式可分为读／写存储器和只读存储器。

（1）读／写存储器（Random Access Memory，RAM）。它指既能读取数据也能存入数据的存储器。按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）。SRAM比DRAM更快，也贵得多。

（2）只读存储器。工作过程中仅能读取的存储器，根据数据的写入方式，这种存储器又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。

①固定只读存储器（Read Only Memory，ROM）。这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。

②可编程的只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）。其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能再修改。

③可擦除可编程的只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）。其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是写入之前先用紫外线照射15～20分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。

④电擦除可编程的只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）。与EPROM相似，EEPROM中的内容既可以读出，也可以进行改写。只不过这种存储器是用电擦除的方法进行数据的改写。

⑤闪存（Flash Memory）。闪存是一种非易失性存储器，基于EEPROM，已成为重要的存储技术，为大量电子设备包括数码相机、手机、PDA、笔记本、台式机和服务器等计算机系统提供快速且持久的存储能力。

存储在ROM设备中的程序通常称为固件（Firmware）。例如，当计算机加电后，它会运行存储在ROM中的固件。

按访问方式分类

按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。

按寻址方式分类

按寻址方式可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。

（1）随机存储器（Random Access Memory，RAM）。这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。

（2）顺序存储器（Sequentially Addressed Memory，SAM）。访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器。

（3）直接存储器（Direct Addressed Memory，DAM）。介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内则是顺序寻址。

相联存储器

相联存储器是一种按内容访问的存储器。其工作原理就是把数据或数据的某一部分作为关键字，按顺序写入信息，读出时并行地将该关键字与存储器中的每一单元进行比较，找出存储器中所有与关键字相同的数据字，特别适合于信息的检索和更新。

相联存储器的结构如下图所示。

相联存储器的结构框图

相联存储器中，输入检索寄存器用来存放要检索的内容（关键字），屏蔽寄存器用来屏蔽那些不参与检索的字段，比较器将检索的关键字与存储体的每一单元进行比较。为了提高速度，比较器的数量应很大。对于位比较器，应每位对应一个，应有2^m×N个，对于字比较器应有2^m个。匹配寄存器用来记录比较的结果，它应有2^m个二进制位，用来记录2^m个比较器的结果，1为相等（匹配），0为不相等（不匹配）。

相联存储器可用在高速缓冲存储器中，在虚拟存储器中用来作为段表、页表或快表存储器，用在数据库和知识库中。

高速缓存

高速缓存（Cache）由快速半导体存储器构成，用来存放当前最活跃的程序和数据，其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。

高速缓存的组成

Cache存储器中控制部分的功能是判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里。

现代CPU中Cache分为了多个层级，如下图所示。

三级Cache示意图

在多级Cache的计算机中，Cache分为一级（L1 Cache）、二级（L2Cache）、三级（L3 Cache）等，CPU访存时首先查找L1 Cache，如果不命中，则访问L2Cache，直到所有级别的Cache都不命中，才访问主存。通常要求L1 Cache的速度足够快，以赶上CPU的主频。如果Cache为两级，则L1 Cache的容量一般都比较小，为几千字节到几十千字节；L2 Cache则具有较高的容量，一般为几百字节到几兆字节，以使高速缓存具有足够高的命中率。

高速缓存中的地址映像方法

在CPU工作时，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中读／写信息。这就需要将主存地址转换成Cache存储器的地址，这种地址的转换称为地址映像。Cache的地址映像有如下3种方法。

（1）直接映像。直接映像是指主存的块与Cache块的对应关系是固定的，如下图所示。

直接映像示意图

在这种映像方式下，由于主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中，因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中记录的主存区号相同，则表明访问Cache命中。一旦命中，由主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache存储器中的块，而块内地址就是主存地址中给出的低位地址。

直接映像方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。例如，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache存储器中有空闲的块也不能利用。

（2）全相联映像。全相联映像如下图所示。同样，主存与Cache存储器均分成大小相同的块。这种映像方式允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。

全相联映像示意图

例如，主存为64MB，Cache为32KB，块的大小为4KB（块内地址需要12位），因此主存分为16384块，块号从0～16383，表示块号需要14位，Cache分为8块，块号为0～7，表示块号需3位。存放主存块号的相联存储器需要有Cache块个数相同数目的单元（该例中为8），相联存储器中每个单元记录所存储的主存块的块号，该例中相联存储器每个单元应为14位，共8个单元。

在地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中相联存储器所有单元中记录的主存块号进行比较，若相同即为命中。这时相联存储器单元的编号就对应要访问Cache的块号，从而在相应的Cache块中根据块内地址（上例中块内地址是12位，Cache与主存的块内地址是相同的）访问到相应的存储单元。

全相联映像的主要优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。

（3）组相联映像。这种方式是前面两种方式的折中。具体方法是将Cache中的块再分成组。例如，假定Cache有16块，再将每两块分为1组，则Cache就分为8组。主存同样分区，每区16块，再将每两块分为1组，则每区就分为8组。

组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。也就是说，主存任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存到Cache的1组中，以此类推。组内的块则采用全相联映像方式，即一组内的块可以任意存放。也就是说，主存一组中的任一块可以存入Cache相应组的任一块中。

在这种方式下，通过直接映像方式来决定组号，在一组内再用全相联映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定的主存区号与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号。

替换算法

替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常用算法有如下几种。

（1）随机替换算法。就是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。

（2）先进先出算法。就是将最先进入Cache的信息块替换出去。

（3）近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache中的信息块替换出去。

（4）优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换。

Cache性能分析

Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标，但不是最主要的指标。Cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。设H_c为Cache的命中率，t_c为Cache的存取时间，t_m为主存的访问时间，则Cache存储器的等效加权平均访问时间t_a为：

t_a=H_ct_c+（1-H_c）t_m=t_c+（1-H_c）（t_m-t_c）

这里假设Cache访问和主存访问是同时启动的，其中，t_c为Cache命中时的访问时间，（t_m-t_c）为失效访问时间。如果在Cache不命中时才启动主存，则

t_a=t_c+（1-H_c）t_m

Cache的命中率与Cache容量的关系如下图所示。Cache容量越大，则命中率越高，随着Cache容量的增加，其失效率接近0%（命中率逐渐接近100%）。但是，增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。

Cache容量与命中率的关系

在指令流水线中，Cache访问作为流水线中的一个操作阶段，Cache失效将影响指令的流水。因此，降低Cache的失效率是提高Cache性能的一项重要措施。当Cache容量比较小时，容量因素在Cache失效中占有比较大的比例。降低Cache失效率的方法主要有选择恰当的块容量、提高Cache的容量和提高Cache的相联度等。

虚拟存储器

在概念上，可以将主存存储器看作一个由若干个字节构成的存储空间，每个字节（称为一个存储单元）有一个地址编号，主存单元的该地址称为物理地址（physical address）。当需要访问主存中的数据时，由CPU给出要访问数据所在的存储单元地址，然后由主存的读写控制部件定位对应的存储单元，对其进行读（或写）操作来完成访问操作。

现代系统提供了一种对主存的抽象，称为虚拟存储（virtual memory），使用虚拟地址（virtual address，由CPU生成）的概念来访问主存，使用专门的MMU（Memory Management Unit）将虚拟地址转换为物理地址后访问主存。设主存容量为4GB，则其简化后的访问操作和内存模型如下图所示。

内存模型及使用虚拟地址访存示意图

虚拟存储器实际上是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化的处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户。因此，用户在使用时，操作的是虚拟设备，无需关心底层的物理环境，从而可以充分利用基于异构平台的存储空间，达到最优化的使用效率。

外存储器

外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存才可访问。外存储器主要由磁表面存储器（如磁盘、磁带）、光盘存储器及固态硬盘（采用Flash芯片或DRAM作为存储介质的存储器）构成。

磁盘存储器

硬盘是最常见的外存储器。一个硬盘驱动器内可装有多个盘片，组成盘片组，每个盘片都配有一个独立的读／写头。

为了正确地存储信息，将盘片划成许多同心圆，称为磁道（track）。将一个磁道沿圆周划分为若干段，每段称为一个扇区（sector），每个扇区内可存放一个固定长度的数据块，如512字节。一组盘片的所有记录面上相同序号的磁道构成一个柱面（cylinder）。

硬盘的寻址信息由硬盘驱动号、柱面号、磁头号（记录面号）、数据块号（或扇区号）以及交换量组成。

磁盘以扇区大小的块来读写数据。对扇区的访问时间（access time）主要包括以下三个部分：寻道时间（seek time）、旋转时间（rotational latency）和传送时间（transfer time）。

（1）寻道时间。为了读取某个目标扇区的内容，需要将读／写头移动到包含目标扇区的磁道上，这称为寻道时间T_seek。显然，寻道时间与读／写头的移动速度以及其之前的位置有关。通过数千次对随机扇区的寻道操作求平均值来测得平均寻道时间，一般为3～9ms。

（2）旋转时间。一旦读／写头定位至期望的磁道，就等待目标扇区旋转到读／写头的下方，该时间依赖于读／写头到达目标扇区前盘面的位置和旋转速度。在最坏情况下，读／写头刚好错过目标扇区，就必须等待磁盘旋转一周。因此，最大旋转延迟时间T_{max rotaion}为磁盘旋转速度的倒数，平均旋转时间T_{avg rotai}_on为最大旋转延迟时间的一半。

（3）传送时间。当目标扇区的第一个位位于读／写头下方时，就可以开始读或写该扇区的内容了。一个扇区数据的传送时间依赖与旋转速度和每磁道的扇区数目，因此可以粗略估算一个扇区的平均传送时间T_a_{vg transfer}为磁盘旋转速度的倒数乘以每磁道扇区数的倒数。

现代磁盘构造复杂，大容量磁盘采用多区记录技术，将柱面的集合分割成不相交的子集，每个子集称为一个记录区。每个记录区包含一组连续的柱面，一个及记录区中每个柱面的每条磁道有相同数量的扇区，扇区数由最靠近盘片中心的磁道所能包含的扇区数决定。

一个磁盘上可以记录的最大位数称为其最大容量。最大容量由记录密度、磁道密度和面密度决定。

记录密度是指每英寸磁道的段中可以存储的位数。磁道密度是盘片半径方向上每英寸的磁道数。面密度则是记录密度与磁道密度的乘积。

磁盘最大容量等于每扇区字节数×每磁道平均扇区数×每盘面磁道数×每盘片记录面数×盘片数。

磁盘通常以千兆字节（GB）或兆兆字节（TB）为单位来表示磁盘容量，且1GB=10⁹B，1TB=10¹²B。

磁盘控制器必须对磁盘进行格式化后才能存储数据。格式化后的容量通常小于最大容量。

光盘存储器

根据性能和用途，光盘存储器可分为只读型光盘（CD-ROM）、只写一次型光盘（WORM）和可擦除型光盘。只读型光盘是由生产厂家预先用激光在盘片上蚀刻不能再改写的各种信息，目前这类光盘的使用很普遍。只写一次型光盘是指由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘，写入方法是利用聚焦激光束的热能，使光盘表面发生永久性变化而实现的。可擦除型光盘是读／写型光盘，它是利用激光照射引起介质的可逆性物理变化来记录信息。

光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。其特点是记录密度高、存储容量大、采用非接触式读／写信息（光头距离光盘通常为2mm）、信息可长期保存（其寿命达10年以上）、采用多通道记录时数据传送率可超过200Mb/s、制造成本低、对机械结构的精度要求不高、存取时间较长。

固态硬盘

固态硬盘（Solid State Disk，SSD）的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质；另一种是采用DRAM作为存储介质。

基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，其主体是一块PCB板，板上最基本的配件就是控制芯片、缓存芯片和用于存储数据的闪存芯片。主控芯片是固态硬盘的大脑，其作用有两个：一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷；二是承担数据中转的作用，连接闪存芯片和外部SATA或USB接口。不同主控芯片差异很大，在数据处理能力、算法，对闪存芯片的读写控制方面会有非常大的不同，直接会导致固态硬盘产品在性能上差距很大。

一个闪存由多个块、每块由多页组成，通常页的大小为512B～4KB，块的大小为32～128页。在闪存中，数据是以页为单位读写的。只有在一个页所在的块被整体擦除后，才能写入该页。写一个块重复写入限定次数（例如100000）后，该块就会磨损坏而不能再使用。如果一个固态硬盘的主控芯片中磨损逻辑处理得好，就可以用很多年。

SSD的读操作比写操作要快，顺序读写操作比随机读写操作要快。进行随机写操作时，要擦除整块，因此需要较长的时间。另外，如果写操作试图修改一个包含其他有用数据的块，则需要将有用数据复制到一个新擦除的块中，然后才能进行写入操作。

固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘基本相同，外形和尺寸也基本与普通的2.5英寸硬盘一致。

固态硬盘虽然价格仍较为昂贵，容量较低，但是由于具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，因此常作为传统机械式硬盘的替代品使用。

磁盘阵列技术

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disk，RAID）。

虽然RAID包含多块硬盘，但从用户视角看则是一个独立的大型存储设备。RAID可以充分发挥出多块硬盘的优势，实现远超出任何一块单独硬盘的速度和吞吐量。除了性能上的提高之外，RAID还可以提供良好的容错能力。RAID技术分为几种不同的等级，分别可以提供不同的速度、安全性和性价比。

目前，常见的RAID如下表所示。

廉价冗余磁盘阵列

除此之外，上述各种类型的RAID还可以组合起来，构成复合型的RAID，此处不再赘述。

存储域网络

存储域网络是连接服务器与存储设备的网络，它能够将多个分布在不同地点的RAID组织成一个逻辑存储设备，供多个服务器共享访问，如下图所示。通过网络将一个或多个服务器与多个存储设备连接起来，每个存储设备可以是RAID、磁带备份系统、磁带库和CD-ROM库等，构成了存储域网络（Storage Area Network，SAN）。这样的网络不仅解决服务器对存储容量的要求，还可以使多个服务器之间可以共享文件系统和辅助存储空间，避免数据和程序代码的重复存储，提高存储器的利用率。另外，SAN还实现了分布式存储系统的集中管理，降低了大容量存储系统的管理成本，提高了管理效率。

SAN的结构

基本思想

小波变换的基本思想是将信号展开成一族基函数的加权和，即用一族函数表示或逼近信号或函数。这一族函数是通过基本函数的平移和伸缩构成的。

小波变换用于图像编码的基本思想就是把图像进行多分辨率分解，分解成不同空间、不同频率的子图像，然后再对子图像进行系数编码。小波变换本身并不具有压缩功能，之所以将它用于图像压缩，是因为生成的小波图像的能量主要集中于低频部分，水平、垂直和对角线上的高频部分则较少，可以将这一特性与一定的编码算法相结合，达到高效压缩图像的目的。小波变换作为一种多尺度、多分辨率的分析方法，由于小波具有很好的时频或空频局部特性，特别适合于按照人类视觉系统特性设计图像压缩编码方案，也非常有利于图像的分层传输。实验证明，图像的小波变换编码在压缩比和编码质量方面优于传统的DCT变换编码。

结构图

结构化设计方法中使用结构图来描述系统的体系结构，指出一个系统由哪些模块组成，以及模块之间的调用关系。结构图的基本成分有：模块、调用和数据。

模块

在结构化设计中，模块指具有一定功能并可以用模块名调用的一组程序语句，如函数、子程序等，它们是组成程序的基本单元。

一个模块具有外部特征和内部特征。模块的外部特征包括：模块的接口（模块名、输入／输出参数、返回值等）和模块功能。模块的内部特征包括：模块的内部数据和完成其功能的程序代码。

在结构图中，模块用矩形表示，并用名字标识该模块，名字应体现该模块的功能。

调用

结构图中模块之间的调用关系用从一个模块指向另一个模块的箭头来表示，其含义是前者调用了后者。

数据

模块间还经常用带注释的短箭头表示模块调用过程中来回传递的信息。箭头尾部带空心圆的表示传递的是数据，带实心圆的表示传递的是控制信息，如下图所示。

模块间的数据传递

可以在结构图上添加一些辅助符号进一步描述模块间的调用关系。如果一个模块是否调用一个从属模块决定于调用模块内部的判断条件，则该调用模块间的判断调用采用菱形符号表示；如果一个模块通过其内部循环的功能来循环调用一个或多个从属模块，则该调用称为循环调用，用弧形箭头表示。判断调用和循环调用的表示方法如下图所示。

模块调用示例

结构图的形态特征

.深度。指结构图控制的层次，也就是模块的层数。

.宽度。指一层中最大的模块个数。

.扇出。指一个模块的直接下属模块的个数。

.扇入。指一个模块的直接上属模块的个数。

进程

简单而言，一个进程就是一个正在运行的程序。一般来说，一个进程至少应该包括以下几个方面的内容。

.相应的程序：进程既然是一个正在运行的程序，当然需要有相应程序的代码和数据。

.CPU上下文：指程序在运行时，CPU中各种寄存器的当前值，包括：程序计数器，用于记录将要取出的指令的地址；程序状态字，用于记录处理器的运行状态信息；通用寄存器，用于存放数据或地址；段寄存器，用于存放程序中各个段的地址；栈指针寄存器，用于记录栈顶的当前位置。

.一组系统资源：包括操作系统用来管理进程的数据结构、进程的内存地址空间、进程正在使用的文件等。

进程有动态性、独立性和并发行三个特性。

（1）动态性。进程是一个正在运行的程序，而程序的运行状态是在不断地变化的。例如，当一个程序在运行的时候，每执行完一条指令，PC寄存器的值就会增加，指向下一条即将执行的指令。而CPU中用来存放数据和地址的那些通用寄存器，它们的值肯定也不断地变化。另外，堆和栈的内容也在不断地变化，每当发生一次函数调用时，就会在栈中分配一块空间，用来存放此次函数调用的参数和局部变量。而当函数调用结束后，这块栈空间就会被释放掉。

（2）独立性。一个进程是一个独立的实体，是计算机系统资源的使用单位。每个进程都有自己的运行上下文和内部状态，在它运行的时候独立于其他的进程。

（3）并发性。从宏观上来看，在系统中同时有多个进程存在，它们相互独立地运行。

下图表示四个进程A、B、C、D在系统中并发地运行。从中可以看出，虽然从宏观上来说，这四个进程都是在系统中运行，但从微观上来看，在任何一个特定的时刻，只有一个进程在CPU上运行。从时间上来看，开始是进程A在运行，然后是进程B在运行，然后是进程C和进程D。接下来又轮到了进程A去运行。因此，在单CPU的情形下，所谓的并发性，指的是宏观上并发运行，而微观上还是顺序运行，各个进程轮流去使用CPU资源。

四个进程在并发运行

在具体实现上，以CPU中的程序计数器PC为例，真正物理上的PC寄存器只有一个。当四个进程在轮流执行时，PC取值的运动轨迹是先在进程A内部流动，然后再到进程B的内部流动，再到进程C和D。从进程的独立性角度来说，每个进程都有“自己”独立的PC寄存器，即逻辑上的PC寄存器，它们的取值相互独立、互不影响。所谓的逻辑PC，其实就是一个内存变量。例如，在上图中，当进程A要执行的时候，就把A的逻辑PC的值拷贝到物理PC中，然后开始运行。当轮到B运行的时候，先把物理PC的当前值保存到A的逻辑PC中，然后再把B的逻辑PC的值装入到物理PC中，即可运行。这样就实现了各个进程的轮流运行。

进程调度

进程调度即处理机调度，它的主要功能是确定在什么时候分派处理机，并确定分给哪一个进程。在一些操作系统中，一个作业从提交到完成需要经历高、中、低3级调度。

.高级调度：又称"长调度""作业调度"或"接纳调度"，它决定处于输入池中的哪个后备作业可以调入主系统做好运行的准备，成为一个或一组就绪进程。系统中一个作业只需经过一次高级调度。

.中级调度：又称"中程调度"或"对换调度"，它决定处于交换区中的哪个就绪进程可以调入内存，以便直接参与对CPU的竞争。在内存资源紧张时，为了将进程调入内存，必须将内存中处于阻塞状态的进程调至交换区，以便为调入进程腾出空间。

.低级调度：又称"短程调度"或"进程调度"，它决定处于内存中的哪个就绪进程可以占用CPU，是操作系统中最活跃、最重要的调度程序，对系统的影响很大。

调度方式

调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配CPU。调度方式分为可剥夺式和不可剥夺式两种。可剥夺式是指当有更高优先级的进程到来时，强行将正在运行的进程所占用的CPU分配给高优先级的进程；不可剥夺式是指当有更高优先级的进程到来时，必须等待正在运行的进程自动释放占用的CPU，然后将CPU分配给高优先级的进程。

进程调度算法

常用的进程调度算法有：先来先服务、时间片轮转、优先级调度和多级反馈调度算法。

1）先来先服务

先来先服务（FCFS）是按照作业提交或进程变为就绪状态的先后次序，分配CPU。即每当进入进程调度时，总是将就绪队列队首的进程投入运行。FCFS的特点比较有利于长作业，而不利于短作业；有利于CPU繁忙的作业，而不利于输入／输出繁忙的作业。

2）时间片轮转

FCFS算法主要用于宏观调度，时间片轮转算法主要用于微观调度，通过时间片轮转，提高进程并发性和响应时间，从而提高资源利用率。

时间片轮转的实现过程是将系统中所有的就绪进程按照FCFS原则，排成一个队列。每次调度时将CPU分派给队首进程，让其执行一个时间片。时间片的长度从几毫秒到几百毫秒。在一个时间片结束时，发生时钟中断，调度程序据此暂停当前运行进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前的队首进程。进程可以未使用完一个时间片，就出让CPU（如阻塞）。

时间片长度的确定主要考虑以下4个方面。

.时间片长度变化的影响：时间片过长，退化为FCFS算法，进程在一个时间片内都执行完，造成响应时间长；时间片过短，用户的一次请求需要多个时间片才能处理完，上下文切换次数增加，系统效率降低，同样造成响应时间增长。

.对响应时间的要求：T（响应时间）=N（进程数目）×q（时间片）。

.就绪进程的数目：数目越多，时间片越小。

.系统的处理能力：应当使用户输入在一个时间片内能处理完，否则会使响应时间、平均周转时间和平均带权周转时间延长。

3）优先级调度

优先级调度分为静态优先级和动态优先级两种。

.静态优先级：进程的优先级是在创建时就已确定好了的，直到进程终止都不会改变。确定优先级的依据主要有：进程类型（系统进程优先级较高）、对资源的需求（对CPU和内存需求较少的进程优先级较高）、用户要求（紧迫程度和付费多少）。

.动态优先级：在创建进程时赋予一个优先级，在进程运行过程中还可以改变，以便获得更好的调度性能。进程每执行一个时间片，就降低其优先级，从而一个进程持续执行时，其优先级可能会降低到出让CPU为止。

4）多级反馈调度

多级反馈调度算法是时间片轮转算法和优先级算法的综合与发展。其优点是：照顾了短进程、提高了系统吞吐量、缩短了平均周转时间；照顾输入／输出型进程，获得较好的输入／输出设备利用率和缩短响应时间；不必估计进程的执行时间，动态调节优先级。

进程间通信

1）同步与互斥

（1）进程间的同步。一个进程相对于另一个进程的运行速度是不确定的，也就是说，进程是在异步环境下运行的。每个进程都以各自独立的、不可预知的速度向前推进。但相互合作的进程需要在某些确定点上协调它们的工作，当一个进程到达了这些点后，除非另一进程已经完成了某些操作；否则就不得不停下来等待这些操作结束。

（2）进程间的互斥。在多道程序系统中，各进程可以共享各类资源，但有些资源一次只能供一个进程使用，称为临界资源（Critical Resource， CR），如打印机、公共变量和表格等。同步是进程间的直接制约问题，互斥是进程间的间接制约问题。

2）信号量机制

信号量是一种解决进程同步与互斥的工具。主要有整型信号量、记录型信号量、信号量集机制。最常用的信号量是整型变量。

信号量可分为两类：一类是公用信号量，用于实现进程间的互斥，初值等于1或资源的数目；另一类是私用信号量，用于实现进程间的同步，初值等于0或某个正整数。信号量S的物理意义是：当S≥0时，表示某资源的可用数；当S<0时，其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

3）PV操作

PV操作是实现进程同步与互斥的常用方法。PV操作是低级通信原语，在执行期间不可分割。其中，P操作表示申请一个资源，V操作表示释放一个资源。

P操作定义：S:=S-1，若S≥0，则执行P操作的进程继续执行；否则，若S<0，则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

V操作定义：S:=S+1，若S>0，则执行V操作的进程继续执行；否则，若S≤0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，执行V操作的进程继续执行。

利用PV操作实现进程互斥的方法为：令信号量mutex的初值为1，当进程进入临界区时执行P操作，退出临界区时执行V操作。

利用PV操作实现进程同步的方法为：用一个信号量与消息联系起来。当信号量的值为"0"时表示希望的消息未产生，当信号量的值为非"0"时表示希望的消息已经存在。假定用信号量S表示某条消息，进程可以通过调用P操作测试消息是否到达，调用V操作通知消息已准备好。最典型的就是单缓冲区的生产者和消费者的同步问题。

其他功能

本小节介绍数据链路层的流量控制、链路管理、MAC寻址、区分数据域控制信息、透明传输等功能。

流量控制

在双方的数据通信中，如何控制数据通信的流量同样非常重要。它既可以确保数据通信的有序进行，还可避免通信过程中不会出现因为接收方来不及接收而造成的数据丢失。这就是数据链路层的“流量控制”功能。数据的发送与接收必须遵循一定的传送速率规则，可以使得接收方能及时地接收发送方发送的数据。并且当接收方来不及接收时，就必须及时控制发送方数据的发送速率，使两方面的速率基本匹配。

链路管理

数据链路层的“链路管理”功能包括数据链路的建立、链路的维持和释放三个主要方面。当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发送方必须确知接收方是否已处在准备接收的状态。为此通信双方必须先要交换一些必要的信息，以建立一条基本的数据链路。在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放数据链路。

MAC寻址

这是数据链路层中的MAC子层主要功能。这里所说的“寻址”与“IP地址寻址”是完全不一样的，因为此处所寻找的地址是计算机网卡的MAC地址，也称为物理地址、硬件地址，而不是IP地址（逻辑地址）。在以太网中，采用MAC地址进行寻址，MAC地址被烧入每个以太网网卡中。这在多点连接的情况下非常必需，因为在这种多点连接的网络通信中，必须保证每一帧都能准确地送到正确的地址，接收方也应当知道发送方是哪一个站。

区分数据与控制信息

由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开来，以便向上传送仅是真正需要的数据信息。

透明传输

透明传输是指可以让无论是哪种位组合的数据，都可以在数据链路上进行有效传输。这就需要在所传数据中的位组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，能采取相应的技术措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。只有这样，才能保证数据链路层的传输是透明的。

在链路层主要功能中，重要的还是组帧、差错控制、流量控制、链路管理、MAC寻址，而区分数据与控制信息和透明传输是在前5项功能中附带实现的，并无需另外的技术。

微内核结构

微内核结构或者客户-服务器结构的操作系统是指在内核中将操作系统的大部分功能都剥离出去，只保留最核心的功能单元（如进程管理和存储管理），微内核结构的特点就是内核非常小，大部分的系统功能都位于内核之外，例如设备驱动程序，所有的设备驱动程序都被置于内核之外，如下图所示。

微内核结构

在微内核操作系统中，新的功能组件可以被动态地添加进来，所以它具有易于扩展、调试方便等特点。另外，由于大部分的系统功能被放置在内核之外，而且客户单元和服务器单元的内存地址空间是相互独立的，因此系统的安全性更高。它还有一个优点就是移植方便。但是，与其他类型的操作系统相比（如单体内核），微内核操作系统的运行速度可能会慢一些，这是因为核内组件与核外组件之间的通信方式是消息传递，而不是直接的函数调用。另外，由于它们的内存地址空间是相互独立的，所以在切换的时候，也会增加额外的开销。许多嵌入式操作系统采用的都是微内核的方式，如OS-9、C Executive、VxWorks、CMX-RTX、Nucleus Plus和QNX等。

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