（计算机软件与理论专业论文）基于linux操作系统的dicom打印服务器的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于l i n u x 操作系统的d i c o m 打印服务器的设计与实现 摘要 d i c o m 标准是应用于医疗系统中医学数字成像及通信的国际标凇，通过它实现不 固厂家设备i 司的医学图像和其健桷关信息的传输。基予d i c o m 标准的打印服务器可以 在不增掬任何接甜设备和网关等硬件的情况下实现多台数字影像设备共享激光械机，其 髓成为当今医用激光相机领域不可或缺的重要组成部分。因而开发功能完整的，拥有核 心技术的，基于多个操作系统的d i c o m 打印服务程序有着深远的意义。 本文首先通过对医用相机的发展和现状的介绍，说明d i c o m 打印服务器在医学成 像领域越发重要的地位。随后介绍l i n u x 操作系统的起源发展及其特点以说明选择 l i n l r x 操作系统的愿因，并结合系统开发介绍相关开发工兵。在篱单介绍了d i c o m 标 准的产生和发展后，本文对d i c o m 标准的各组成部分及英重要概念进行了详细的讨论。 在对d i c o m 基础知识深刻理解的基础上，本文详细阐述了d i c o m 打印服务相关内容， 根据系统设计需求详细说明所需实现s o p 类i o d 属性内容以及d i m s e 服务类型，结合 实际开发经验，着重剖析系统模块设计及实现方案，对各模块类结构以及功能函数进行 了详细的说明，并给出了该部分的程序控制流原理图。 课题来自国家信息产业部电子信息发展基金项居“数字医蠲激光成像仪”( 信息产 业部文号：3 9 3 ) ，目前项目已通过测试，有着蘸好的应媚价值。 关键词：医学数字图像通信标准( d i c o m ) ；服务对象对( s o p ) ；相机服务器；信息服务单 元( d i m s e l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ed i c o m l a s e r i m a g e r s e r v e rb a s e do nl i n u xo s a b s t r a c t d i c o ms t a n d a r di sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fd i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni n t h ed o m a i no fm e d i c i n e t h r o u g ht h es t a n d a r di ti sp o s s i b l et ot r a n s f e rd i g i t a li m a g e sa n d o t h e ri n f ob e t w e e nv a r i o u se q u i p m e n t s l a s e ri m a g es e r v e rb a s eo nd i o c ma c t u a l i z et h a t m u l t id i g i t a lm e d i c a le q u i p m e n t sc a l ls h a r et h e no n l yp r i n t e rw i t h o u ta r t ya d d i t i v ei n t e r f a c e d e v i c eo rg a t e w a y i th a sb e c o m eaq u i t ei m p o r t a n tp a r to f t h em e d i c a ll a s e ri m a g e r t h e r e f o r e f u l l yi m p l e m e n t i n gd i c o mp r i n ts e r v e rb a s e do nd i f f e r e n to p e r a t i n gs y s t e m s ，h o l d i n gk e r n e l t e c h n o l o g yh a v ep r o f o u n ds i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts t a t eo fm e d i c a ll a s e ri m a g e r , s h o w st h ei m p o r t a n tp o s i t i o no fd i c o mp r i n ts e r v e ri nt h ef i e l do fm e d i c a li m a g i n g t h e nt h e t h e s i si n t r o d u c e st h eo r i g i n ，d e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r so fl i n u xo st os h o wt h er e a s o nw h y w ec h o o s ei t a n dt h e nt h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed i c o ms t a n d a r d ，d e t a i l e d l ya n a l y z e s t h ed i c o ms t a n d a r d sc o m p o s i n ga n dm a i nc o n c e p t s b a s eo np r o f o u n dc o m p r e h e n s i o no n t h ed i c o ms t a n d a r d ，t h et h e s i se m p h a s i z e so na n a l y z i n gt h ed i c o mp r i n ts e r v e rc l a s s s c o n c e p ta n dt h e o r y a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n ，i l l u m i n a t e sc o r r e l a t i v es o p c l a s s e s o d a t t r i b u t e sa n dd i m s es e r v i c e s i n t e g r a t i n gt h ee x p e r i e n c eo fp r a c t i c e ，t h ep a p e rp r i m a r i l y a n a l y z e st h ed i c o mp r i n ts e r v e r sm o d u l es t r u c t u r ed e s i g na n da c h i e v es c h e m e ，d e t a i l e d l y s h o w se v e r yc l a s s ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n s a n dt h e nb r i n gf o n ht h ec o n t r o lf l o wc h a r t t h i st h e s i si sb a s e do nt h es u b j e c to f “d i g i t a lm e d i c a ll a s e ri m a g e r ”w h i c hi su n d e rt h es u p p o r t o fn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n d u s t r i a ld e p a r t m e n t se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n tf u n d ( n o 3 9 3 ) ， t h ep r o d u c t i o nh a sp a s s e dt h eq u a l i t yt e s ta n dh a sf a v o r a b l ea p p l i e dw o r t h i n e s s k e yw o r d s ：d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o no i l 、m e d i c a l ( d i c o m ) ；s e r v i c eo b j e c t p a i r ( s o p ) ；l a s e ri m a g e rs e r v e r ；d i c o mm e s s a g es e r v i c ee l e m e n t ( d i m s e ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：羽莨潭 日期：砌簿胡哪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机技术的发展，传统产业在信息时代亟待信息化改造，在医疗行业，伴随 着先进医疗设备的使用，医院系统的数字化建设已逐渐成为热点。由于c t 、m r j 以及 其他医学诊断设备在医学图像领域的大规模应用，原来用于普通x 线机的直接对胶片曝 光成像的方法已无法适应数字化影像设备的需求，医用相机已成为c t ，i v l r i ，c r ，d r 等影像设备的重要组成部分。激光相机服务程序作为激光相机同外部的接口，负责接收 图像和相关参数处理，与激光相机进行通讯共同完成打印任务，其通过基于d i c o m 图 像存储通信协议，可以在不增加任何接口设备和网关等硬件的情况下实现多台数字影像 设备共享激光相机，从而节省用于购置新打印设备的费用，提高设备利用率，减少设备 维护工作量，从而获得更大的经济效益。 1 。2 激光相机发展过程 自从1 8 9 5 年德国物理学家伦琴发现x 线以来，人类在医学研究领域进入了崭新的 时期，通过透视和照相对疾病进行诊断，从而开创了x 线照相术。x 线照相术是以增感 屏胶片体系作为信息的接受介质，而形成的x 线影像。 x 线影像是诊断重要依据，医生通过对照片影像细节的微小变化并用肉眼识辨来进 行诊断。x 线增感屏一胶片体系的照相一直沿用到今天。随着计算机信息技术的发展， 7 0 年代末到8 0 年代初，出现了数字化的影像设备如c t ，m r ，d s a 等。这些设备的 数字化影像，不同于常规x 线摄影，影像信息的存储与显示是由胶片一体化完成，它不 但可以存入磁带、磁盘、光盘等介质，以作长期保留，可在监视器屏幕上显示，也可拷 贝成影片。当今，在数字图像网络尚未达到广泛普及的情况下，影片仍是我们现阶段进 行医疗、诊断、会诊和交流的主要手段。而且胶片对细微结构的显示优于荧屏，所以胶 片影像目前仍被广泛应用。 将一幅幅的图像数据通过各种成像方式“复制”成影片称为拷贝( c o p ，亦可称 作胶片打印。8 0 年代初虽然有了数字化的影像设备，磁带、磁盘、光盘的存储已经数字 化，但胶片打印设备的发展滞后于影像设备，还需通过数字转换成模拟信号后，由与模 拟信号接口的多幅照相机相连才能完成胶片打印。到了8 0 年代中期，由于激光技术的 发展和进步应用于医学领域，国际上许多著名的公司如k o d a k ，a g f a ，3 m ，富士 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 等都相继开发出具有自己独特的兼容数字和模拟接口的激光相机。同时随着9 0 年代初 d i c o m 标准的建立和被各个公司采用，9 0 年代中期出现了具有标准d i c o m 接口的数 字激光相机，这为各公司激光相机的联网和多台影像设备共用一台相机奠定了基础。到 了9 0 年代末又推出了具有标准d i c o m 接口的数字干式热敏和激光打印机，打印的胶 片无需用显影药、定影药和水进行冲洗，激光打印机直接出胶片，而在这之前的激光相 机都是湿式激光相机，其打印的胶片需要用显影药、定影药和水进行冲洗。因此通过近 三十年的发展，目前普遍使用的胶片打印技术有【蚓： ( 1 ) 多幅照相机技术 多幅照相机又称阴极射线管( c a t h o d er a d i a t i o nc a m e r a ，简称c r t ) ，它是靠电子束 的阴极射线管把视频信号转变为图像信号，显示在视频显示器的屏幕上，再通过光镜折 射和透镜系统把视频显示器屏幕上的图像聚焦后投影在胶片上，使其感光。其主要特点 是c t m r d s a 等均为数字图像，但向c r t 型多幅照相机进行图像信号输送时，必须 是以视频信号形式传送，所打印的图像属于模拟影像，接口为视频信号接口( 标准制式 p a l ，n t s c 等) 。代表相机有西门子的m 9 等。 表1 1 各厂家所生产的激光相机 t a b l e1 1l a s e ri m a g e rp r o d u c t so f v a r i o u sc o m p a n y s 柯达8 9 0 0 爱克发5 2 0 0 p 富士柯尼卡美能达东软n s l - 2 0 0 0 d r y p 7 0 0 0d p r 0 7 5 2 ( 2 ) 数字非d i c o m 湿式激光照相机技术 数字非d i c o m 湿式激光照相机是激光发生器发出的激光束，经受由数字图像信号 ( 图像的象素单元的灰度值) 控制的调制器调制和发散透镜发散后投影到多棱光镜，激光 束经过多棱光镜镜面折射，再经聚焦以点状光源直接照射到胶片上。曝光后的胶片再经 显影、定影处理，即获得一张激光胶片。其基本结构由信号处理系统、激光打印系统、 胶片传送系统和控制系统等系统组成，激光发生器由氦氖( h e - n e ) 和红外二极管f 又称半 导体) 激光器两种。接口有模拟和数字接口( 各公司自己开发的数字接口和r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 接口) 。由于激光相机比c r t 型多幅照相机具有更多的优越性，因而被c t ，m r ，d r ， c r 等数字成像设备广泛的应用。代表相机有k o d a k l l 2 0 ，3 m 9 6 9 ，a g f a 3 3 0 0 等。 ( 3 ) 数字d i c o m 湿式激光照相机技术 数字d i c o m 湿式激光照相机其主要原理、结构、发生器类型等与数字非d i c o m 东北大学硕士学位论文第一章绪论 湿式激光照相机相同，其最大的区别是接口为数字d i c o m 接i z l ( r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r j 4 5 接口) ，d i c o m 接口的数字相机为各影像设备共用一台激光相机和联网提供了方便。代 表相机有k o d a k l6 0 ，a g f a 3 3 0 0 ，a g f a 5 2 0 0 等。 ( 4 ) 数字d i c o m 干式热敏和激光照相机技术 数字d i c o m 干式激光和热敏照相机，是不需要显影、定影和水的处理，就可直接 打印出可供诊断的胶片。由于该相机出现的比较晚，因此基本都以d i c o m 接口标准开 发。干式打印因各厂家采取的技术路线不一样，机器在结构和工作原理有很大的差别， 目前主要有两种，干式热敏打印和干式激光打印。干式热敏打印是利用热力头打印技术 成像，热力头能把电力转变成热力，在热敏胶片上进行打印。干式激光打印是利用激光 对干式激光胶片进行打印后，使用热力显像。由于干式打印相比湿式打印具有较多优点， 因此成为胶片打印发展的方向之一。代表相机有k o d a k 8 1 0 0 ，a g f a 3 0 0 0 等。 胶片打印从普通x 线摄影到模拟多幅照相机打印，从数字激光到标准d i c o m 激光 湿式和干式打印，走过了一个较长的过程。由于近年来c r ，d r 等数字化设备的迅猛发 展，普通x 线摄影逐步被c r ，d r 取代，胶片打印未来发展方向必将是d i c o m 网络激 光打印。 1 3d i c o m 打印服务器研究的目的和意义 通过基于d i c o m 标准，使得各类医学影像仪器制造厂商相互之间能够无障碍地把 他们的产品集成在同一个应用环境中，使得基于d i c o m 标准的网络胶片打印成为可能。 由于各影像仪器制造厂商生产的影像设备都有自己与激光相机相连的接口和打印 控制软件，由于缺乏有效的网络连接手段，只支持d i c o m 的点对点通讯方式，因此当 时的d 1 c o m 打印也只能支持r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 等接口的点对点打印。9 0 年代初之前国 际大公司( 如g e ，s i e m e n s 等) 影像设备的打印管理都以此为主，而当时激光打印机的 供应商也只能提供点对点通讯的打印方式，而要使多台影像设备联网共用一一台激光相机 只有增加接口设备，如a g f a m g3 0 0 0 相机控制器( 相当于d i c o m 网关) 和接口板。自 从推出d i c o m 3 0 以后，较之于以前仅有的点对点通讯方式，增加了支持o s i 和t c p i p ， 并且可应用于网络，因此d i c o m 打印管理也可直接支持网络。现在d i c o m 中的打印 管t 里( ( p r i n tm a n a g e m e n t ) 的通讯主要包括两种方式： ( 1 ) 点对点打印管理( p r i n tm a n a g e m e n tf o rp o i n tt op o i n t ) ( 2 ) 网络打印管理( p r i n t m a n a g e m e n tf o r n e t w o r k l 由于网络打印管理在不增加任何接口设备的情况下一台相机能连接多台影像设备， 况且在九十年代术k o d a k ，a g f a 等激光相机生产公司也推出了d i c o m 接口的相机， 因此d i c o m 网络打印管理越来越受到重视。目前d i c o m 中有关点对点通讯的研究已 经衰落，点对点打印也将逐渐淘汰，d i c o m 打印管理的网络打印是未来发展的必然趋 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 势。 d i c o m 打印管理作为医疗系统的重要功能之一，国外的供应商如g e ，a g f a 等己 能提供较完整的d i c o m 网络打印管理解决方案，而国内相应公司能提供的不是很多， 若有也只是实现d i c o m 网络打印管理中基本灰度打印管理元( b a s i cg r a y s c a l ep r i n t m a n a g e m e n tm e t a ) 服务对象对( s o p ) 类功能，却较少实现其它可选( o p t i o n a l ) s o p 类。 基于d i c o m 网络打印管理系统可以在不增加任何接口设备和网关等硬件的情况下 实现多台数字影像设备共享激光相机，以节省用于购罱新打印设备的费用，提高设备利 用率，减少设备维护t 作量，获得更大的经济效益。 1 4 论文主要工作 主要结合系统应用，大致的介绍了d i c o m 协议中相关部分内容，通过对打印服务 类的分析研究推导出对其功能要求，对象结构的设计实现。 本文组织结构如下： 第一章绪论，阐述医用相机发展状况，说明激光相机打印服务的研究意义。 第二章l i n u x 操作系统简介，简单介绍了l i n u x 操作系统的起源发展，功能结构及 其特点，并对l i n u x 操作系统和w i n d o w s 操作系统进行详细的比较说明。 第三章d i c o m 标准，介绍了d i c o m 标准的产生和发展，对d i c o m 标准的各组 成部分及其重要概念进行了简要地介绍。 第四章d i c o m 打印服务分析，着重分析d i c o m 打印服务相关内容，根据系统设 计功能需求详细介绍所需实现s o p 类1 0 d 属性以及d i m s e 服务，为服务 器的功能实现抽取技术路线，提供理论依据。 第五章n l s 2 0 0 0 d i c o m 打印服务器功能实现。根据系统功能设计要求结合上一章 梳理得出d i c o m 实现技术路线，详细介绍系统开发设计思想和具体实现方 法。最后给出系统编译运行状况以及测试结果 第六章总结与展望，对全文的工作进行了总结并对未来的研究工作进行展望。 东北大学项士学位论文 第一章绪论 势。 d 1 c o m 打印管理作为医疗系统的重要功能之一，国外的供应商如g e ，a g f a 等己 能提供较完整的d i c o m 网络打印管理解决方案，而国内相应公司能提供的不是很多， 若有也只是实现d i c o m 网络打印管理中基本灰度打印管理元( b a s i cg r a y s c a l ep r i m m a n a g e m e n tm e t a ) l 报务对象对( s o p ) 类功能，却较少实现其它可选( o p t i o n a l ) s o p 类。 基于d i c o m 网络打印管理系统可以在不增加任何接口设备和网关等硬件的情况下 实现多台数字影像设备共享激光相机，以节省用于购置新打印设备的费用，提高设备利 用率减少设备维护下作量，获得更大的经济效益。 1 4 论文主要工作 主要结台系统应用，大致的介绍了d i c o m 协议中相关部分内容，通过对打印服务 类的分析研究推导出对其功能要求，对象结构的设计实现。 本文组织结构如下： 第一章绪沧，阐述医用相机发展状况说明激光相机打印服务的研究意义。 第二苹l i n u x 操作系统简介，简单介绍了l i n u x 操作系统的起源发展。功能结构及 其特点，并对l i n u x 操作系统和w i n d o w s 操作系统进行详细的比较说明。 第i 章d i c o m 标准，介绍了d i c 0 m 标准的产生和发展，对d i c o m 标准的各组 成部分及其重要概念进行了简要地介绍。 第四章d i c o m 打印服务分析，着重分析d i c o m 打印服务相关内容，根据系统设 计功能需求详细介绍所需实现s o p 类i o d 属性以及d i m s e 服务，为服务 器的功能实现抽取技术路线，提供理论依据。 第五章n l s 一2 0 0 0 d i c o m 打印服务器功能实现。根据系统功能设计要求结合上一章 梳理得出d i c o m 实现技术路线，详细介绍系统开发设计思想和具体实现方 法。最后给出系统编译运行状况以及测试结果 第六章总结与展望，列全文的工作进行了总结并对未来的研究工作进行展望。 第六章总结与展望，对全文的工作进行了总结并对未来的研究工作进行展望。 东北大学硕士学位论文 第二章l i n u x 操作系统简介 第二章l i n u x 操作系统简介 2 1l i n u x 系统的起源和发展 l i n u x 系统是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种计算机操作系统。按照l i n u x 开发者 的说法，l i n u x 是一个遵循p o s i x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c e ，可移植操作系统 接口) 标准的免费操作系统。l i n u x 起源于上个世纪9 0 年代初，一位年轻的芬兰大学生 l i n u s 编写的一个极其简单的操作系统。l i n u x 的第一个版本是在1 9 9 1 年1 0 月颁布的， 到了1 9 9 4 年3 月，l i n u x 的1 0 版本正式面世。l i n u x 的兴起是i n t e m e t 创造的一个奇迹， 实际上，l i m l x 的产生与成熟完全是t n t e m e t 的产物。其已发展成为2 1 世纪初唯一可以 和w i n d o w s 相抗衡的操作系统。 l i n u x 系统从诞生之日起，已经走过了近十个年头，但是在我国的兴起却是近几年 的事。经过几年的接触与认识，l i n u x 在我国进入了一个快速发展与推广的阶段。l i n u x 遵循的自由、源代码开放原则，为中国软件业的兴起带来了新的契机。今后，我国对 l i n u x 的研究、推广和应用将进一步走向深入【3 ”。 2 2l i n u x 系统的特点 l i n u x 是一种u n i x 系统的克隆，它在源代码级上兼容绝大部分u n i x 标准。i i n u x 系统具备了现代u n i x 操作系统的主要特，征【”。l i n u x 系统是一个真正的多用户、多任 务操作系统，它允许多个用户同时访问系统。同时，一个用户可以创建多个进程，通过 内核调度使各个进程协同工作。l i n u x 系统支持请求页式虚拟内存管理技术，只有当前 运行最需要的代码和数据才会被装入系统的物理内存。为了进一步优化内存，l i n u x 还 支持内存缓冲机制，空闲的内存可以用于磁盘和设备的缓存，从而加速了对代码和数据 的访问，并能根据内存的使用情况自动对缓存的大小进行调整。l i n u x 利用交换技术为 应用程序提供比物理内存大得多的虚拟内存。l i n u x 支持多种硬件平台。不仅可以运行 在i n t e l 系列机上，还可以运行在a p p l e 系列、d e c a l p h a 系列、m i p s 和m o t o r o l a 6 8 0 0 系列上。从l i n u x2 0 开始，它不仅支持单处理器机器，还支持对称多处理器( s m p ) 的机 器。l i n u x 全面支持t c p i p 网络协议。在l i n u x 中，用户可以使用所有的网络服务，如 网络文件系统( n f s ) 、远程登录、邮件服务等s l i p 和p p p 能支持串行线上的t c p i p 协 议的使用。 g n u 是由自由软件基金会发起的自由软件开发项目，其目的是为用户提供完全免 东北大学硕士学位论文 第二章l i n u x 操作系统简介 费的软件。l i n u x 系统支持绝大多数的用于u n i x 平台的g n u 软件，这就极大的丰富 了l i n u x 的应用软件。 2 3l i n u x 的结构与主要功能 l i n u x 操作系统一般包括以下四个主要部分。 ( 1 ) 内核 内核是系统的心脏，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。它 从用户那里接受命令并把命令送给内核去执行。l i n u x 有一个多用户、多任务、功能强 大的内核。l i n u x 的多任务特性，不仅能让用户在一台计算机上同时执行多个应用程序， 而且还允许远程用户登录系统并执行程序。l i n u x 具有较为完备的多用户管理功能，包 括用户帐号的管理、用户权限的管理和硬盘空间的管理等，并具有很多功能完善的用户 管理工具。 ( 2 ) s h e l l s h e l l 是系统用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户 输入的命令并把它送入内核去执行。实际上s h e l l 是一个命令解释器，它解释由用户输 入的命令并且把它们送到内核。不仅如此，s h e l l 有自己的编程语言用于对命令的编辑， 它允许用户编写由s h e l l 命令组成的程序。s h e l l 编程语言具有普通编程语言的很多特点， 比如它也有循环结构和分支控制结构等，用这种编程语言编写的s h e l l 程序与其他应用 程序具有同样的效果。 l i n u x 提供了像m i c r o s o f tw i n d o w s 那样的可视命令输入界面：x w i n d o w 图形用户 界面( g u i ) 。它提供了很多窗口管理器，其操作就象w i n d o w s 一样，有窗口、图标和菜 单，所有的管理都是通过鼠标控制。不仅如此，l i n u x 的窗口管理程序种类更多、功能 更强大、选择的余地更大。现在比较流行的窗口管理器是k d e 和g n o m e 。 ( 3 ) 文件结构 文件结构是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的 组织上。目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。我们能够从一个目录切换到另 一个目录，而且可以设置目录和文件的权限，设置文件的共享程度。使用l i n u x ，用户 可以设置目录和文件的权限，以便允许或拒绝其他人对其进行访问。l i n u x 目录采用多 级树形结构。用户可以浏览整个系统，可以进入任何一个己授权进入的目录，访问那里 的文件。文件结构的相互关联性使共享数据变得容易，几个用户可以访问同一个文件。 l i n u x 是一个多用户系统，操作系统本身的驻留程序存放在以根目录开始的专用目录中， 有时被指定为系统目录。 内核、s h e l l 和文件结构一起形成了基本的操作系统结构。它们使得用户可以运行 程序，管理文件以及使用系统。此外，l i n u x 操作系统还有许多被称为实用工具的程序， 东北大学硕士学位论文 第二章l i n u x 操作系统简介 辅助用户完成一些特定的任务。 ( 4 ) 实用工具 标准的l i n u x 系统都有一套叫做实用工具的程序，它们是专门的程序，例如编辑器、 执行标准的计算操作等。l i n u x 发行版本中包含了许多软件开发工具，如g c c ，c + + ， p e r l ，j a v a 等，再加上一些通用库和xw i n d o w 程序库，用户完全可以开发出优秀的应 用程序。 2 4l i n u x 与w i n d o w sn t 比较 微软的w i n d o w sn t 操作系统因为界面友好而得到了广泛的应用，但是，不管从价 格角度考虑还是从服务器的性能角度考虑，l i n u x 都有一定的优势。 l i n u x 是一个单块式的操作系统，操作系统通常在用户进程的内存空间内运行，这 种方式可免去发生系统调用时的进程切换开销。w i n d o w s n t 是一个准微内核操作系统， 许多操作系统功能以单独的进程实现，从而提高了系统的模块化程度，但进程切换上的 开销要大一些。 l i n u x 支持内核级的线程，但它将线程定义为进程的另一个“执行上下文”，从而简 化了进程线程之间的关系和调度程序的设计。w i n d o w s n t 所支持的线程是典型的进程 线程模型，同一个进程中包含多个线程，线程作为单独的调度单位而存在。l i n u x 的线 程库提供了和p o s i x 兼容的线程同步机制，w i n d o w sn t 的线程同步机制和l i n u x 类似。 l i n u x 中进程是基本的调度单位，w i n d o w sn t 中线程是基本的调度单位。w i n d o w s n t 提供了基于优先级的循环赛调度策略，而l i n u x 提供了三种调度策略。它们虽然均 提供有实时调度策略或实时调度优先级，但只能算是一个软实时操作系统，但l i n u x 由 于其源代码的开放性，已经具备了硬实时内核，可用于对时间有严格要求的实时系统中。 这也体现了l i n u x 系统具有良好的规模伸缩性。 在进程间通信机制上，l i n u x 提供了标准的u n i x i p c ( 进程间通讯) 机制，而w i n d o w s n t 则在基本p c 机制的基础上，提供了许多直接面向应用程序的高级i p c 机制，例如： 剪切板、d d e 和o l e 等。从本质上比较，l i n u x 的i p c 机制接近于i p c 原语，比较底 层，提供了最大的灵活性，也可以在此基础上建立更加复杂的高级i p c 机制，而w i n d o w s n t 在原语级提供的i p c 机制有管道、命名管道、消息传递、共享内存、信号量等。 l i n u x 和w i n d o w s n t 在虚拟内存的管理上存在着不同。 l i n u x 和w i n d o w sn t 在面对相同的进程地址空间大小时，对内存布局的使用方式 不同。w i n d o w s n t 实际只为进程准备了2 g b 的可用虚拟地址空间，而l i n u x 中的进程 地址空间使用则更为灵活些。 在虚拟内存的使用上，l i n u x 内核为用户管理了非常多的细节问题，用户可以以为 自己真正拥有4 g b 地址空间一样利用这些内存，而不用关心虚拟内存是否尚未提交物 东北大学硕士学位论文 第二章l i n u x 操作系统简介 理存储等等的问题。w i n d o w sn t 则为程序员提供了多种虚拟内存使用方案，虽然这些 方案的使用有些复杂，但却提供了一定程度上的灵活性。 w i n d o w sn t 也支持d o s 和w i n l 6 程序的执行，但为了提供这种兼容性，w i n d o w s n t 的内存管理付出了极高的性能代价。 l i n u x 和w i n d o w s n t 虽然均提供了内存共享技术，但它们的实现有些细微的差别。 l i n u x 提供给用户的接口非常简单，只需将自己的虚拟内存空间区域附加到共享内存对 象之上。w i n d o w s n t 通过内存映射文件提供共享内存机制，从使用上讲，略显复杂。 l i n u x 的内存交换管理灵活性很强，用户可以在普通的文件系统上建立“无洞”的 文件作为交换空间，还可以使用多个交换文件，从而可以动态增加交换文件。l i n u x 也 提供了利用交换分区作为交换空间的方法，这一方法是优选的交换空问方案。w i n d o w s n t 的页面文件很难逃脱碎片化的危险，从而可能降低交换操作的性能，为了保证 w i n d o w sn t 采用无碎片的页面文件，必须采取一定的措施。 高速缓存是计算机系统提高性能的常用方法，不管在硬件设计上，还是在软件设计 上，高速缓存对系统性能的提高有着至关重要的作用。l i n u x 和w i n d o w sn t 在高速缓 存的使用上有一些共同之处，均尽量采用系统的全部空闲r a m 作为高速缓存区域，但 l i n u x 在高速缓存管理上有一些独到之处，这是l i n u x 性能之所以高的根本原因所在。 在文件系统的设计上，l i n u x 和w i n d o w sn t 有很大的不同。 l i n u x 的文件系统设计遵循u n i x 系统完整、一致、统一的设计思想，具有非常大 的灵活性。w i n d o w s n t 的文件系统则出于兼容性考虑，依然采用的是d o s 文件系统的 管理方法，这种文件系统的管理方式对w i n d o w sn t 这种面向网络服务器的操作系统来 说实际是一种羁绊。 l i n u x 的文件系统还有一个非常重要的特点，即“虚拟文件系统”。通过虚拟文件系 统，l i n u x 几乎可以支持所有不同类型的文件系统，包括在p c 操作系统中广泛使用的 f a t 和n t f s 等。在d o s 下，每个磁盘或硬盘分区由独立的根目录，并且用唯一的驱 动器标识符表示，不同磁盘或不同的硬盘分区中，目录结构的根目录是各自独立的。 l i n u x 的文件系统组织和d o s 不同，它的文件系统是一个整体。单个磁盘或硬盘分区构 成单独的文件系统，有其各自的目录树结构。但是，在操作系统能够使用这些文件系统 之前，必须通过称为“挂装”的操作将单独的文件系统附加到一个整体文件系统的某个 子目录上。如此操作，最终可使所有的文件系统结合成一个无缝的统一整体，组织到一 个大的树形目录结构中。在l i n u x 中，各种信息都组织成文件，然后保存在磁盘中。文 件有两类：常规文件和特殊文件。前者包括文本文件、数据文件、二进制可执行文件等， 后者包括系统的设备特殊文件等。l i n u x 中的目录也可看成是一种特殊文件，其中保存 着目录中文件的名称、文件在磁盘上的存储位置等信息。l i n u x 的文件系统布局和 w i n d o w s n t 沿用至今的d o s 风格的文件系统组织方式相比，有着明显的优点，例如便 于管理，利于提高性能等。 东北大学硕士学位论文 g ：- 章l i n u x 操作系统简介 l i n u x 操作系统的一个重要特点是它支持许多不同类型的文件系统。l i n u x 中最普遍 使用的文件系统是e x t 2 ，但l i n u x 也能够支持f a t , v f a t , f a t 3 2 ，m i n i x 等不同类型的 文件系统。l i n u x 中使用了一种虚拟文件系统( v f s ) o v f s 作为实际文件系统( e x t ) 和操 作系统之间的接口，将实际的文件系统和操作系统隔离开来。在v f s 的帮助下，l i n u x 可以支持除e x t 之外的许多文件系统类型。各文件系统为v f s 提供一致的接口，从而 将不同文件系统的细节隐藏了起来。对操作系统的其他部分，以及运行在操作系统之卜 的程序而言，所有的文件系统都是一样的。 w i n d o w sn t 的文件系统沿用d o s 的文件系统组织方式，对每个磁盘或硬盘分区， 用唯一的驱动器字母表示。它可以支持的硬盘分区数目最多可以有2 4 个，与l i n u x 无 限挂装和动态卸载的能力对比，w i n d o w s n t 在这方面显然略有差距。w i n d o w s n t 的这 种松散的文件系统结构增加了系统管理和维护的负担，并且极容易造成文件系统的碎片 化。因为在默认情况下，w i n d o w sn t 系统目录中既包含有通常不作修改的系统文件， 又包含有用来保存临时文件的t e m p 目录，这种混杂的结构使文件系统难免高负荷的运 转，并且容易造成碎片化。 输入输出( i o ) 和设备管理在操作系统代码中占有很大的比例，l i n u x 和w i n d o w s n t 在这方面有许多不同。 l i n u x 为设备管理提供了一致的接口，系统中的每一个设备均由对应的设备特殊文 件代表，设备文件实际是应用程序和内核中设备驱动程序之间的桥梁，通过设备特殊文 件可直接访问i j o 设备。遗憾的是，w i n d o w s n t 中的设备访问没有那么简单，除串行、 并行口等可通过类似操作普通文件的方法打开、读取和写入之外，对其他设备的访问均 需要调用相应的w i n 3 2a p i 来完成，没有一致性可言。尽管w i n d o w sn t 是一种微内核 结构，但它并没有体现微内核结构模块化、灵活的特点，如果你安装了新的设备驱动程 序，或者修改了现有设备的一些属性，则必须重新启动计算机才能使这些修改生效。相 反的是，虽然l i n u x 是一种单块式的操作系统，但它却可以提供设备驱动程序以及其他 一些内核组件的动态装载和卸载功能。 除了上述不同之外，l i n u x 和w i n d o w sn t 都支持一些高级的1 1 0 特性，其中包括 d o 高速缓存和r a i d ( 廉价冗余磁盘阵列) 等对r a i d 的支持有硬件和软件支持，硬件支 持当然在性能上要优于软件支持。l i n u x 和w i n d o w sn t 均支持软件r a i d 的r a i d0 ， r a i dl 以及r a i d5 。除此之外，l i n t u x 还支持一种称为r a i d l i n e a r 的方案，利用 r a i d 1 i n e a r ，可以将一些小的分区连接起来而建立一个大的虚拟的分区，l i n u x 的这一 r a i d 方案和w i n d o w sn t 利用多个分区建立单个大文件系统卷的方案是一样的。 设备无关的操作系统软件，尤其是命名机制和保护机制是不同操作系统的特征所 在，因为它直接体现了操作系统为程序员和用户提供的接口。在这点上，l i n u x 和 w i n d o w sn t 有着很大的不同，这是两种设计思想和哲学的再次体现。 在l i n u x 系统中，一个基本的特点是它抽象了设备处理。所有对硬件设备的操作和 东北大学硕士学位论文 第二章l i n u x 操作系统简介 通常的文件一样，利用标准的系统调用可在设备上进行打开、关闭、读取或写入操作。 系统中的每个设备由“设备特殊文件”来代表。另外，l i n u x 中所有的块设备提供异步 接口，所有的块设备i o 操作均通过缓冲区高速缓存进行。当文件系统从物理设备读取 数据块时，这些块被保存在全局的缓冲区高速缓存中，当进程频繁访问相同的数据时， 这些数据就可以直接从高速缓存中读出，而不必进行实际的磁盘读取操作。当文件系统 向物理设备写入数据时，这些块首先保存在缓冲区高速缓存中，并不马上写入物理设备， 而当特殊的内核守护进程运行时，这些数据块才可能写入实际的硬盘。和l i n u x 不同， w i n d o w sn t 的设备管理没有一致性可言，既没有设备特殊文件来代表设备，也没有统 一的设备访问机制。应用程序所能够做的，仅仅是调用针对特定设备而编写的a p i 函数 来完成一定的功能。但有一个例外，即w i n d o w s n t 保留了一些特殊的文件名作为代表 串行i ( c o m x ) 。并行e i ( l p t x ) 等极小范围内的设备，