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了解电脑操作系统的内核和架构
了解电脑操作系统的内核和架构电脑操作系统是我们日常使用电脑时接触最多的软件之一。
它的内核和架构决定了操作系统的功能和性能。
了解电脑操作系统的内核和架构对于使用电脑和解决问题都非常有帮助。
本文将介绍电脑操作系统的内核和架构，并探讨其重要性。
一、电脑操作系统的内核内核是操作系统的核心部分，负责管理各种硬件设备、提供基本的系统服务和资源分配。
电脑操作系统的内核通常分为微内核和宏内核两种类型。
1. 微内核微内核是将操作系统的核心功能尽量精简化的设计思想。
它将大部分操作系统功能移出内核，只保留最基本的功能，如进程管理、内存管理和设备驱动等。
微内核的设计使得操作系统的可扩展性更好，同时也提高了系统的稳定性和安全性。
2. 宏内核宏内核则相对于微内核来说更加庞大，完整的操作系统功能都包含在内核中。
宏内核的设计思想是尽量在内核中实现多样化的功能和服务，减少用户态和内核态的切换开销。
由于其内核较大，宏内核的可靠性和安全性相对较差，但在性能方面则有一定的优势。
不同类型的内核在实际应用中都有各自的优缺点，选用何种类型的内核取决于具体的需求和平台。
二、电脑操作系统的架构除了内核，电脑操作系统还有各种子系统和服务构成。
1. 进程管理进程管理是操作系统的核心功能之一，负责管理和调度各个进程的执行，并为进程提供必要的资源。
操作系统通过进程管理来实现多任务的功能，使得多个程序可以同时运行，提高了系统的效率和利用率。
2. 内存管理内存管理是指操作系统对计算机内存资源的分配和回收。
通过内存管理，操作系统可以为每个程序分配足够的内存空间，确保程序能够正常运行。
同时，内存管理还负责内存的保护和共享，保证不同程序之间的数据不会相互干扰。
3. 文件系统文件系统是操作系统中的一个重要组成部分，负责管理和组织计算机中的文件和文件夹。
文件系统提供了对文件的读写操作，并通过目录结构来组织文件和文件夹。
不同的文件系统有不同的实现方式和特点，如FAT、NTFS等。
picokernel体系结构
Picokernel体系结构一、介绍1.1 Picokernel概述Picokernel是一种微内核操作系统结构，它旨在提供最基本的功能，同时尽可能减少内核的规模和复杂性。
Picokernel内核只包含最基本的操作系统功能，如线程调度、内存管理和进程通信。
其他功能，如文件系统、网络协议和设备驱动程序，则在用户空间中以服务器的形式运行。
1.2 Picokernel优势Picokernel结构的优势在于其简洁性和灵活性。
由于内核功能被限制在最基本的操作系统功能，Picokernel的内核规模较小，可以更容易理解和维护。
由于其他功能被移至用户空间，Picokernel也更容易定制和扩展。
1.3 Picokernel的历史Picokernel最早由瑞典计算机科学家Jochen Liedtke于1996年提出。
他设计了一种称为L4的微内核，作为Picokernel结构的具体实现。
L4微内核以其精简的设计和卓越的性能而闻名，成为Picokernel结构的代表。
二、Picokernel结构2.1 内核功能Picokernel的内核功能主要包括：- 线程调度：管理和调度进程和线程的运行- 内存管理：分配和管理内存资源- 进程通信：提供进程间通信的机制，如消息传递或共享内存2.2 用户空间服务器除了内核功能外，Picokernel还通过用户空间服务器提供其他系统功能，例如：- 文件系统服务器：负责管理文件和目录的访问- 网络协议服务器：负责处理网络通信- 设备驱动服务器：负责管理硬件设备的访问2.3 进程间通信Picokernel的进程间通信通过消息传递或共享内存来实现。
用户空间服务器可以通过内核提供的基本机制来进行进程间通信，从而实现系统功能的协作。
三、Picokernel的应用3.1 嵌入式系统由于Picokernel结构具有精简和高性能的特点，它在嵌入式系统中得到了广泛的应用。
嵌入式系统通常对内存和处理器资源有着严格的限制，使用Picokernel可以提供更高效的系统性能。
操作系统内核
整个系统是一个统一的内核，所以其内部调用效率 很高。
单内核特点
单内核的缺点也正是由于其源代码是一个整
体而造成的，通常各模块之间的界限并不特 别清晰，模块间的调用比较随意，所以进行 系统修改或升级时，往往“牵一发而动全 身”，导致工作量加大，使其难于维护。
内核
严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。
程序可以直接地被调入计算机中执行，这样的设计说 明了设计者不希望提供任何硬件抽象和操作系统的支 持，它常见于早期计算机系统的设计中。最终，一些 辅助性程序，例如程序加载器和调试器，被设计到机 器核心当中，或者固化在只读存储器里。这些变化发 生时，操作系统内核的概念就渐渐明晰起来了。
可靠性：单内核操作系统的设计特点决定了当某一
服务出错时，可能会造成整个系统的崩溃的结果。 所以，微内核的可靠性较单内核高。
性能：微内核操作系统调用系统服务时需通过发送
消息给相关程序才能完成，所以开销较大。
小结
内核在操作系统中占有什么的地位、有什么结构？ 单内核与微内核各有什么特点？ 在嵌入式系统中，选择哪种类型的内核更好？
Linux内核组成
这些子系统虽然实现的功能相对独立，但存在着较
强的依赖性(调用依赖模块中相应的函数)，所以说 linux内核是单块结构(monolithic)的，而windows体系 结构是微内核(microkernel)的。
什么是单内核
单内核也叫集中式操作系统。整个系统是一个大模
块，可以被分为若干逻辑模块，即处理器管理、存 储器管理、设备管理和文件管理，其模块间的交互 是通过直接调用其他模块中的函数实现的。
操作系统的内核
学习目标
掌握内核的组成 了解Linux内核结构 了解单内核操作系与微内核操作系统的特点
深入理解微内核与宏内核操作系统
深入理解微内核与宏内核操作系统微内核与宏内核是两种不同类型的操作系统内核结构，它们有着各自独特的设计理念与特点。
在深入理解微内核与宏内核操作系统之前，首先需要了解操作系统内核的基本概念。
操作系统内核是操作系统的核心部分，它负责管理系统的资源，提供各种系统调用接口，协调系统中各个组件的工作。
一、微内核操作系统微内核操作系统是一种将核心功能模块化的操作系统设计理念。
微内核将操作系统的核心功能划分为若干个独立的模块，每个模块负责不同的功能，如进程管理、内存管理、文件系统等。
这些模块通过消息传递的方式进行通信和交互，相互之间独立运行，各自管理自己的资源。
微内核操作系统的优点：1.可靠性高：由于微内核结构简单清晰，模块之间的隔离性好，因此出错的概率较小，系统稳定性高。
2.灵活性强：微内核可以轻松地通过添加或替换模块来扩展或修改系统的功能，开发和维护成本较低。
3.可移植性好：由于内核结构简单，与硬件无关，因此微内核操作系统具有很好的可移植性。
微内核操作系统的缺点：1.性能问题：由于模块之间需要通过消息传递进行通信，这会导致系统的性能较低。
2.复杂性高：微内核操作系统的设计和实现较为复杂，需要较高水平的技术和经验。
3.上下文切换开销大：由于模块之间需要频繁地进行消息传递，导致上下文切换开销较大。
二、宏内核操作系统宏内核操作系统是一种将所有核心功能模块集成在一起的操作系统设计理念。
宏内核将操作系统的所有功能模块放在一个单独的内核空间中，所有功能模块共享相同的地址空间，直接调用内核函数来实现各种功能。
宏内核操作系统的优点：1.性能优越：由于所有功能模块在同一内核空间中运行，直接调用内核函数，因此系统性能较高。
2.简单易用：宏内核操作系统整体设计和实现较为简单，易于理解和使用。
3.内核操作方便：由于所有功能模块在同一内核空间中，因此内核操作方便快捷。
宏内核操作系统的缺点：1.可靠性较低：由于所有功能模块在同一内核空间中运行，相互之间会存在一定的耦合性，因此系统的可靠性较低。
QNX – 微内核结构的实时操作系统
• 清除资源
• 重新启动程序
• CPM提供心跳服务检测软件事故 – 允许系统自我检测
2009年3月16日星期一
QNX Confidential. All content copyright QNX Software Systems.
6
五九（99.999%）可靠性
可靠性=
连续运行时间(MTBF) 连续运行时间(MTBF)+出错恢复时间(MTTR)
9
QNX限定型多重处理
同时拥有两种模式的优点
Î这是拥有限定型多重处理和非对称 型多重处理双方的优点
Î可以同时支持现行的代码，以及针对 多CPU执行优化过的用户程序
> 进程和线程可以选择在限定型或是对称 型下运行
Î设计人员可以控制整个用户程序
> 可以“限定”线程在特定的CPU上执行
Î平衡运行
> 可以由OS动态管理，也可以由设计人员 管理
> QNX提供工具可以优化平衡运行 > 由OS管理共享的资源
Î高性能运行
> 消息传递或是线程同步由内核支持
A1
A2
A3
A4
A5
OS
CPU 缓存
CPU 缓存
系统间连接
I/O I/O I/O
内存控制器
内存
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QNX Confidential. All content copyright QNX Software Systems.
事事件件
扩扩大大到到特特定定的的 时时间间区区域域，，选选 择择感感兴兴趣趣的的进进
程程。。
事事件件的的详详细细，， 包包括括长长度度，，类类
型型等等
2009年3月16日星期一
操作系统结构
层次结构
所谓的层次结构，就是把操作系统所有的功能模块按照功能调用次序分别排成若干层，各层之间的模块只有 单向调用关系(例如，只允许上层或外层模块调用下层或内层模块)。分层的优点是：
(1)把功能实现的无序性改成有序性，可显著提高设计的准确性。 (2)把模块间的复杂依赖关系改为单向依赖关系，即高层软件依赖于低层软件。 tra于1968年发表的THE多道程序设计系统第一次提出了操作系统的分层结构方法。整个THE系统分为6层。
整体式结构
整体式结构也叫简单结构或无结构，在早期设计开发操作系统时，设计者只是把注意力放在功能的实现和获 得高的效率上。整个操作系统的功能由一个一个的过程来实现，这些过程之间又可以相互调用，导致操作系统变 为一堆过程的集合，其内部结构复杂又混乱。因此这种操作系统没有结构可言。
这种早期的整体式结构的最大优点就是接口简单直接，系统效率高但是却有很多的缺点：没有可读性，也不 具备可维护性，一旦某一个过程出了问题，凡是与之存在调用关系的过程都要修改，所以给调试和维护人员带来 许多麻烦，有时为了修改系统中的错误还不如重新设计开发一个操作系统。因此，这种早期的整体式结构已经淘 汰不用了。
操作系统结构
操作系统的构成结构
目录
01 整体式结构
03 层次结构
02 模块化结构 04 微内核结构
操作系统结构是指操作系统的构成结构。在操作系统的发展过程中，产生了多种多样的系统结构，几乎每一 个操作系统在结构上都有自己的特点，从总体上看，根据出现的时间，操作系统结构依次可以分为整体式结构、 模块化结构、层次式结构和微内核结构。
感谢观看
模块化结构
模块化结构是指将整个操作系统按功能划分为若干个模块，每个模块实现一个特定的功能。模块之间的通信 只能通过预先定义的接口进行。或者说模块之间的相互关系仅限于接口参数的传递。
操作系统基本概念
操作系统基本概念操作系统基本概念1：引言- 定义：操作系统是计算机系统中的核心软件，负责协调和管理计算机硬件和其他软件的资源，为用户提供接口和服务。
- 作用：实现计算机资源的有效管理和利用，提供良好的用户界面和服务，保证计算机系统的稳定运行。
2：操作系统结构- 单体结构：操作系统的各个组件全部包含在一个单独的程序中。
- 分层结构：操作系统分为多个层次，每个层次都提供不同的功能和服务。
- 微内核结构：将操作系统的核心功能放在微内核中，其他功能通过进程间通信与微内核交互。
3：进程管理- 进程：是指一个正在运行的程序的实例，是操作系统分配资源的基本单位。
- 进程调度：操作系统根据一定的算法决定哪些进程可以执行。
- 进程同步：操作系统提供机制确保多个进程之间的正确交互和数据共享。
- 进程通信：多个进程之间进行信息的传递和共享。
4：内存管理- 内存分配：操作系统负责管理计算机内存的分配和回收。
- 内存保护：操作系统通过访问权限设置和虚拟内存技术保护进程间的内存空间。
- 内存交换：将部分不常用的程序或数据从内存交换到磁盘，以提供更多的可用内存空间。
5：文件系统- 文件组织：操作系统将文件组织为层次化的目录结构，以便用户存储和管理文件。
- 文件存储：操作系统负责将文件存储在磁盘或其他存储介质上，并提供文件访问接口。
- 文件保护：操作系统通过权限设置和加密技术保护文件的机密性和完整性。
6：输入输出系统- 设备管理：操作系统管理各种输入输出设备，负责控制数据的传输和设备的访问。
- 设备驱动程序：操作系统提供与设备通信的接口，驱动程序负责具体的设备控制。
- 缓冲区管理：操作系统通过缓冲区来提高输入输出的效率。
附件：附件1：操作系统基本概念详解：pdf附件2：操作系统概念图表：png法律名词及注释：1：版权：法律规定的对创作作品的独占权，保护原作者的权益。
2：许可证：机关颁发的允许某个实体从事特定活动的文件。
3：商标：与特定商品或服务相关联的标识，用于区分不同商家的产品或服务。
微内核操作系统
4) 提供了对分布式系统的支持
•
由于在微内核OS中，客户和服务器之间以 及服务器和服务器之间的通信，是采用消息传递 通信机制进行的，致使微内核OS能很好地支持分 布式系统和网络系统。事实上，只要在分布式系 统中赋予所有进程和服务器惟一的标识符，在微 内核中再配置一张系统映射表(即进程和服务器的 标识符与它们所驻留的机器之间的对应表)，在进 行客户与服务器通信时，只需在所发送的消息中 标上发送进程和接收进程的标识符，微内核便可 利用系统映射表，将消息发往目标，而无论目标 是驻留在哪台机器上。
• •
微内核 提供必要服务的操作系 统内核；其中这些必要的服务 包括任务，线程，交互进程通 信（IPC，Inter－Process Communication）以及内存管 理等等。所有服务（包括设备 驱动）在用户模式下运行，而 处理这些服务同处理其他的任 何一个程序一样。因为每个服 务只是在自己的地址空间运行。 所以这些服务之间彼此之间都 受到了保护。
（3） 中断和陷入处理
• 大多数微内核操作系统都是将与硬件紧密相关的一小部分
•
放入微内核中处理。此时微内核的主要功能，是捕获所发 生的中断和陷入事件，并进行相应的前期处理。如进行中 断现场保护，识别中断和陷入的类型，然后将有关事件的 信息转换成消息后，把它发送给相关的服务器。由服务器 根据中断或陷入的类型，调用相应的处理程序来进行后期 处理。 在微内核OS中是将进程管理、存储器管理以及I/O 管理这些功能一分为二，属于机制的很小一部分放入微内 核中，另外绝大部分放在微内核外的各种服务器中来实现。 事实上，其中大多数服务器都比微内核大。这进一步说明 了为什么能在采用客户/服务器模式后，还能把微内核做 得很小的原因。
（1）足够小的内核
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北京交通大学 计算机学院
翟高寿
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微内核操作系统结构客户/服务器模型
客户 进程
作业 网络 终端 服务器 服务器 服务器
……
文件 服务器
用户态
核心态
消息传递机制（客户进程与服务器之间通信）
硬件第2页共4页
微内核操作系统结构要领及评价
机制与策略分离、客户/服务器模式 内核仅实现硬件相关及最基本功能：进程调度与控制、 进程同步与通信、地址转换机制、中断/陷入处理、 设备驱动 其余更多系统功能放在内核之外：用户进程分类及优 先级计算、页面淘汰算法、分配策略
结构评价 可扩充性、正确性、可靠性 便于网络服务和实现分布式处理 系统效率受到影响
北京交通大学计算机学院 翟高寿 第3页共4页
知行合一， 开拓进取！
微内核操作系统结构■
北京交通大学计算机学院 翟高寿 第4页共4页