操作系统：体系结构

1.内核的划分

1.术语解释

• 时钟管理：利用时钟断实现计时功能。
• 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”
• 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。

2.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

2.大内核（又称：宏内核/单内核）

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

注意:变态(用户态和内核态之间的变换)的过程是有成本的，
要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

1.特性

• 所有的系统功能都放在内核里(大内核结构的OS通常也采用了"模块化"的设计思想)

2.优缺点

• 优点：性能高，内核内部各种功能都可以直接相互调用
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护；大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃

典型的大内核/宏内核/单内核操作系统:Linux、UNIX

3.微内核

只把最基本的功能保留在内核。

1.特性

只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。
进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态。

2.优点

• 优点:内核功能少，结构清晰，方便维护;
• 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃.

3.缺点

• 缺点︰性能低，需要频繁的切换用户态/核心态。
• 用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的"消息传递"来间接通信；

典型的微内核操作系统:Windows NT

4.分层结构

最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可调用更低一层。

1.优点

• 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。
• 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。

2.缺点

• 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界。
• 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。

5.模式化

1.特性

• 将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。
• 内核=主模块+可加载内核模块
• 主模块︰只负责核心功能，如进程调度、内存管理
• 可加载内核模块:可以动态加载新模块到内核,而无需重新编译整个内核

2.优点

• 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
• 支持动态加载新的内核模块（如∶安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS适应性
• 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高

3.缺点

• 模块间的接口定义未必合理、实用
• 2.模块间相互依赖，更难调试和验证

6.外核

1.特性

• 内核负责进程调度、进程通信等功能，
• 外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全

2.优点

• 外核可直接给用户进程分配"不虚拟、不抽象的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源
• 减少了虚拟硬件资源的"映射层"，提升效率

3.缺点

• 降低了系统的一致性
• 使系统变得更复杂