什么是微内核设计系统的主要优点?微内核设计系统中如何架构用户程序和...

发布网友发布时间：2023-12-06 10:28

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热心网友时间：2024-03-18 16:24

译内核，属于软件部分．
内核是操作系统的内部核心程序，它向外部提供了对计算机设备的核心管理调用。我们将操作系统的代码分成2部分。内核所在的地址空间称作内核空间。而在内核以外的统称为外部管理程序，它们大部分是对外围设备的管理和界面操作。外部管理程序与用户进程所占据的地址空间称为外部空间。通常，一个程序会跨越两个空间。当执行到内河空间的一段代码时，我们称程序处于内核态，而当程序执行到外部空间代码时，我们称程序处于用户态。

从UNIX起，人们开始用高级语言（UNIX上最具有代表性的就是UNIX的系统级语言C语言）编写内核代码，使得内核具有良好的扩展性。单一内核（monolithic kernel）是当时操作系统的主流，操作系统中所有的系统相关功能都被封装在内核中，它们与外部程序处于不同的内存地址空间中，并通过各种方式（在Intel IA－32体系中采用386保护模式）防止外部程序直接访问内核结构。程序只有通过一套称作系统调用（system call）的界面访问内核结构。近些年来，微内核（micro kernel）结构逐渐流行起来，成为操作系统的主要潮流。1986年，Tanenbaum提出Mach kernel，而后，他的minix和GNU的Hurd操作系统更是微内核系统的典范。

在微内核结构中，操作系统的内核只需要提供最基本、最核心的一部分操作（比如创建和删除任务、内存管理、中断管理等）即可，而其他的管理程序（如文件系统、网络协议栈等）则尽可能的放在内核之外。这些外部程序可以独立运行，并对外部用户程序提供操作系统服务，服务之间使用进程间通信机制（IPC）进行交互，只在需要内核的协助时，才通过一套接口对内核发出调用请求。

微内核系统的优点时操作系统具有良好的灵活性。它使得操作系统内部结构简单清晰。程序代码的维护非常之方便。但是也有不足之处。微内核系统由于核心态只实现了最基本的系统操作，这样内核以外的外部程序之间由于独立运行使得系统难以进行良好的整体优化。另外，进程间互相通信的开销也较单一内核系统要大许多。从整体上看，在当前的硬件条件下，微内核在效率上的损失小于其在结构上获得的收益，故而选取微内核成为操作系统的一大潮流。

然而，Linux系统却恰恰使用了单一内核结构。这是由于Linux是一个实用主义的操作系统。Linux Tovarlds以代码执行效率为自己操作系统的第一要务，并没有进行过一个系统的设计工作，而是任由Linux在使用中不断发展。在这样的发展过程中，参与Linux开发的程序员大多为世界各地的黑客们。比起结构的清晰，他们更加注重功能的强大和高效的代码。于是，他们将大量的精力放在优化代码上，而这样的全局性优化必然以丧失结构精简为代价，导致Linux中的每个部件都不能轻易被拆除。否则必然破坏整体效率。

虽然Linux是单一内核体系，但是它与传统的单一内核UNIX操作系统不同。在普通的单一内核系统中，所有的内核代码都是被静态编译联入的，而在Linux中，可以动态装入和卸载内河中的部分代码。Linux将这些代码段称为模块。（module），并对模块给予了强有力的支持。在Linux中，可以在需要时自动装入和卸载模块。

Linux不支持用户态线程。在用户态中，Linux认为线程就是共享上下文（Context）的进程。Linux通过LWP（light weight thread）的机制来实现用户态线程的概念。通过系统调用clone（）创建新的线程。

Linux的内核为非抢占式的。即，Linux不能通过改变优先权来影响内核当前的执行流程。因此，Linux在实现实时操作时就有问题。Linux并不是一个“硬”实时操作系统。

在Linux内核中，包括了进程管理（process management）、定时器（timer）、中断管理（interrupt management）、内存管理（memory management）、模块管理（module management）、虚拟文件系统接口（VFS layer）、文件系统（file system）、设备驱动程序（device driver）、进程间通信（inter-process communication）、网络管理（network management）、系统启动（system init）等操作系统功能的实现。

2、另一种便是硬件内核了，很多硬件都是有内核的．不过大体还是和软内核相联系，我这里简单的说一种内核吧．
核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。
为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。
不同的CPU（不同系列或同一系列）都会有不同的核心类型（例如Pentium 4的Northwood，Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等），甚至同一种核心都会有不同版本的类型（例如Northwood核心就分为B0和C1 等版本），核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能，而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等）、核心面积（这是决定CPU 成本的关键因素，成本与核心面积基本上成正比）、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集（这两点是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素）、功耗和发热量的大小、封装方式（例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等）、接口类型（例如Socket 370，Socket A，Socket 478，Socket T，Slot 1、Socket 940等等）、前端总线频率（FSB）等等。因此，核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。
一般说来，新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能（例如同频的Northwood核心Pentium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium 4 1.8GHz 性能要高），但这也不是绝对的，这种情况一般发生在新核心类型刚推出时，由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因，可能会导致新的核心类型的性能反而还不如老的核心类型的性能。例如，早期 Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4的实际性能不如Socket 370接口的Tualatin核心的Pentium III和赛扬，现在的低频Prescott核心Pentium 4的实际性能不如同频的Northwood核心Pentium 4等等，但随着技术的进步以及CPU制造商对新核心的不断改进和完善，新核心的中后期产品的性能必然会超越老核心产品。
CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积（这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU 的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（例如集成内存控制器等等）以及双核心和多核心（也就是1个CPU内部有2个或更多个核心）等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。

在CPU漫长的历史中伴随着纷繁复杂的CPU核心类型，以下分别就Intel CPU和AMD CPU的主流核心类型作一个简介。主流核心类型介绍（仅限于台式机CPU，不包括笔记本CPU和服务器/工作站CPU，而且不包括比较老的核心类型）。
Intel CPU的核心类型 :
Tualatin
这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心，是Intel在Socket 370架构上的最后一种CPU核心，采用0.13um制造工艺，封装方式采用FC-PGA2和PPGA，核心电压也降低到了1.5V左右，主频范围从1GHz到1.4GHz，外频分别为100MHz（赛扬）和133MHz（Pentium III），二级缓存分别为512KB（Pentium III-S）和256KB（Pentium III和赛扬），这是最强的Socket 370核心，其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系列CPU。
Willamette
这是早期的Pentium 4和P4赛扬采用的核心，最初采用Socket 423接口，后来改用Socket 478接口（赛扬只有1.7GHz和1.8GHz两种，都是Socket 478接口），采用0.18um制造工艺，前端总线频率为400MHz，主频范围从1.3GHz到2.0GHz（Socket 423）和1.6GHz到2.0GHz（Socket 478），二级缓存分别为256KB（Pentium 4）和128KB（赛扬），注意，另外还有些型号的Socket 423接口的Pentium 4居然没有二级缓存！核心电压1.75V左右，封装方式采用Socket 423的PPGA INT2，PPGA INT3，OOI 423-pin，PPGA FC-PGA2和Socket 478的PPGA FC-PGA2以及赛扬采用的PPGA等等。Willamette核心制造工艺落后，发热量大，性能低下，已经被淘汰掉，而被Northwood核心所取代。
Northwood
这是目前主流的Pentium 4和赛扬所采用的核心，其与Willamette核心最大的改进是采用了0.13um制造工艺，并都采用Socket 478接口，核心电压1.5V左右，二级缓存分别为128KB（赛扬）和512KB（Pentium 4），前端总线频率分别为400/533/800MHz（赛扬都只有400MHz），主频范围分别为2.0GHz到2.8GHz（赛扬），1.6GHz到2.6GHz（400MHz FSB Pentium 4），2.26GHz到3.06GHz（533MHz FSB Pentium 4）和2.4GHz到3.4GHz（800MHz FSB Pentium 4），并且3.06GHz Pentium 4和所有的800MHz Pentium 4都支持超线程技术（Hyper-Threading Technology），封装方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的规划，Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。
Prescott
这是Intel最新的CPU核心，目前还只有Pentium 4而没有低端的赛扬采用，其与Northwood最大的区别是采用了0.09um制造工艺和更多的流水线结构，初期采用Socket 478接口，以后会全部转到LGA 775接口，核心电压1.25-1.525V，前端总线频率为533MHz（不支持超线程技术）和800MHz（支持超线程技术），主频分别为533MHz FSB的2.4GHz和2.8GHz以及800MHz FSB的2.8GHz、3.0GHz、3.2GHz和3.4GHz，其与Northwood相比，其L1 数据缓存从8KB增加到16KB，而L2缓存则从512KB增加到1MB，封装方式采用PPGA。按照Intel的规划，Prescott核心会很快取代Northwood核心并且很快就会推出Prescott核心533MHz FSB的赛扬。
AMD CPU的核心类型:
Athlon XP的核心类型
Athlon XP有4种不同的核心类型，但都有共同之处：都采用Socket A接口而且都采用PR标称值标注。
Palomino
这是最早的Athlon XP的核心，采用0.18um制造工艺，核心电压为1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。
Thoroughbred
这是第一种采用0.13um制造工艺的Athlon XP核心，又分为Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本，核心电压1.65V-1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz和333MHz。
Thorton
采用0.13um制造工艺，核心电压1.65V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为333MHz。可以看作是屏蔽了一半二级缓存的Barton。
Barton
采用0.13um制造工艺，核心电压1.65V左右，二级缓存为512KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为333MHz和400MHz。
新Duron的核心类型
AppleBred
采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为64KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。没有采用PR标称值标注而以实际频率标注，有1.4GHz、1.6GHz和1.8GHz三种。
Athlon 64系列CPU的核心类型
Clawhammer
采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为1MB，封装方式采用mPGA，采用Hyper Transport总线，内置1个128bit的内存控制器。采用Socket 754、Socket 940和Socket 939接口。
Newcastle
其与Clawhammer的最主要区别就是二级缓存降为512KB（这也是AMD为了市场需要和加快推广64位CPU而采取的相对低价政策的结果），其它性能基本相同。

至于CPU最强的内核，在笔记本方面， Dothan 是当前最强的内核，而台式电脑方面，Intel Prescott是很强的内核，AMD Athlon 64系列CPU的核心类型Clawhammer、Newcastle也很强。

上面都是网上找的，你有空也可多看看别人的资料．
祝福大家新年快乐！！！！