[1.4]计算机系统概述——操作系统的体系结构

第一章 计算机系统概述

操作系统的体系结构

• 大内核/单内核/宏内核
• 微内核

  通过之前的学习，我们知道计算机系统的层次结构是这样的。

  但是操作系统的内部其实还可以再进一步地划分。

  一部分是内核的功能，一部分是非内核的功能。

  操作系统最核心的功能，要放在内核当中。比如：时钟管理、中断处理、原语；进程管理、存储器管理、设备管理等等。这些功能都是要放在操作系统内核当中的。

  时钟管理：利用时钟中断实现计时功能。

  中断处理：略。

  原语：原语是一种特殊的程序，具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断”。要么就一气呵成的全部运行完成，要么就不运行。它的执行过程是不可被中断的，也就是在执行原语这一段程序的过程当中，即使有外部中断信号过来了，CPU也会继续把原语执行完成，然后才去处理那个外部中断信号。

  总之，上图“内核”部分当中，最底层的那三个（时钟管理那一行），是与硬件结合最为紧密的，它们必须放在操作系统的内核当中。

  Ubuntu、CentOS的开发团队，其主要工作是实现非内核功能，而内核都是用了Linux内核。

  内核是操作系统最基本、最核心的部分。

  实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

  对于那三个最底层的功能，它们是与硬件结合最为紧密的，也必须放在操作系统内核当中。

  而进程管理、存储器管理这些管理功能，不会直接涉及硬件，所以，有的操作系统并不把这些管理功能放到内核当中。而只在内核当中保留那些与硬件接触最紧密的部分。

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  因此，这就引出了两种截然不同的内核设计方法。

  把所有的这些功能都包含在操作系统当中的，这种结构就叫大内核；

  在内核当中只保留与硬件结合最紧密的这些部分，那么这种结构就叫做微内核。

  注意：操作系统内核需要运行在内核态；操作系统的非内核功能运行在用户态。

  需要注意的是，如果采用微内核结构的话。

  属于内核的这些功能，是需要运行在内核态的。而不属于内核的，上面那些管理功能，就不属于内核，就要运行在用户态。

  这会对我们系统的性能造成一定影响。

  如何造成影响，我们用一个更直观的例子来体会。

  现在，我们有两种体系结构的系统。

  第一个系统，采用的是大内核的体系结构，那么，由于进程管理、存储管理等等这些功能都是被划分在内核当中的，所以这些功能的处理都需要运行在内核态，只有应用程序是运行在用户态的。

  而如果采用微内核结构的操作系统，只有与硬件联系最紧密的这些被划分在了内核当中，只有这些功能是在内核态下才可以执行的，而其他的功能模块在用户态下就可以运行。

  此时有这样一种情况。

  假设，现在应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的背后需要涉及到进程管理、存储管理、设备管理这几个功能。

  如果采用的是大内核的体系结构的话，那么应用程序向操作系统提出服务的请求，此时CPU会从用户态切换为核心态，然后开始运行这一系列的内核程序。

  而如果采用的是微内核的体系结构的话，应用程序向操作系统提出服务的请求，接下来操作系统的这几个模块都需要为应用程序提供服务，而这几个模块之中，进程管理这一个模块在处理应用程序请求的时候，它同样也需要得到内核的支持（如时钟、中断等），所以在进程管理这一个模块服务的过程中，CPU还需要由用户态转为内核态，服务完成之后又会从内核态再转回用户态。同理，存储管理、设备管理这两个模块也是一样的，它们在执行相应工作的时候，同样也需要得到内核功能的支持。因此，每一个模块，都需要请求内核的服务，每一次都需要涉及到一次CPU状态转换的过程。

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  因此，如果采用的是大内核的体系结构，CPU只需要进行两次状态转变就可以了。

  而如果采用的是微内核体系结构，整个过程的处理就需要有六次变态。

  需要注意的是，CPU的状态转换，这件事情是有成本的，需要消耗不少的时间。因此，频繁地切换CPU的状态，是会降低系统性能的。

【注意】此处“变态”这个词只是我们为了方便表达，正确的说法应该是“CPU状态的转换”。

小结

典型的 大内核/宏内核/单内核 操作系统：Linux、UNIX

典型的 微内核 操作系统：Windows NT

（了解即可，重要的是知道两种体系结构各自的优缺点）