微內核的結構

通用操作系統要滿(mǎn)足各種不同用戶(hù)的要求，因此對它在功能上的要求是“通用”，所以其功能是越多越好。而嵌入式操作系統就有所不同，因為嵌入式操作系統的用戶(hù)群以及對功能的要求有某種程度的“專(zhuān)用”性，所以在一個(gè)特定的應用中，嵌入式操作系統需要哪些功能、不需要哪些功能基本上是固定的。因此，這就給設計小內核創(chuàng )造了條件。

相對于通用計算機系統而言，內存在嵌人式系統中是更為稀缺珍貴的資源。因此，作為需要常駐內存的操作系統的內核，在滿(mǎn)足應用的前提下越小越好。

另外，為了滿(mǎn)足不同的應用需要，嵌人式實(shí)時(shí)操作系統作為嵌人式系統重要的軟件，應支持可裁剪性。換句話(huà)說(shuō)，嵌人式實(shí)時(shí)操作系統的設計在結構上應高度模塊化，并要提供非常靈活的手段，讓系統開(kāi)發(fā)者能根據實(shí)際需要進(jìn)行選用。當然，也應允許用戶(hù)根據需要編寫(xiě)自己的功能模塊，并可以很方便地集成到系統中。

目前，從操作系統現有的結構來(lái)看，對于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統來(lái)說(shuō)，使用微內核結構應該是一個(gè)較好的選擇。

在這里需要強調的是，微內核并不是通過(guò)減少內核的服務(wù)功能模塊而變小的，而是把內核中應提供的部分服務(wù)功能模塊移動(dòng)到內核外來(lái)實(shí)現的。這一點(diǎn)看起來(lái)有些費解，其實(shí)也很簡(jiǎn)單。還是拿到飯店吃飯為例，如果你按菜單點(diǎn)的某道菜肴，等了一會(huì )兒，你可能是吃到了這道菜，你作為一個(gè)顧客享受了這道菜肴，但是這道菜真的是這個(gè)飯店做的嗎?不一定，有可能就是其他飯店做的菜，只不過(guò)這個(gè)飯店在接收你的要求之后，它把消息發(fā)到另外一家飯店并讓他們把菜做出來(lái)，再拿到你的餐桌上罷了。如果一個(gè)飯店的大部分菜肴都可以這樣來(lái)提供，那么這個(gè)飯店所占用的土地面積一定會(huì )小得多。

其實(shí)，微內核的設計思想與上面所舉的例子一樣。如果把內核的某些服務(wù)模塊作為一個(gè)進(jìn)程放在內核以外，那么當要求服務(wù)的進(jìn)程有服務(wù)要求時(shí)，這個(gè)仍然是通過(guò)系統調用接口向內核提出服務(wù)申請，而系統調用接口接收到該申請后，則立即通過(guò)向內核外的服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)消息來(lái)啟動(dòng)這個(gè)服務(wù)進(jìn)程，從而為要求服務(wù)的進(jìn)程提供了相應的服務(wù)。顯然，這樣一來(lái)，就會(huì )使要求服務(wù)的進(jìn)程和提供服務(wù)的進(jìn)程都處在操作系統的用戶(hù)區而處在同一個(gè)層次上了，所以?xún)群艘簿妥冃×?。為了區別兩種不同的進(jìn)程，把要求服務(wù)的進(jìn)程叫做“客戶(hù)”，把提供服務(wù)的進(jìn)程叫做“服務(wù)器”，這種微內核結構也叫做“客戶(hù)/服務(wù)器”結構。微內核的“客戶(hù)/服務(wù)器”結構示意圖如圖所示。

圖 微內核的客戶(hù)/服務(wù)器結構示意圖

在微內核中，由于客戶(hù)/服務(wù)器的這種結構使內核變得更便于維護，一旦某部分發(fā)生錯誤，不會(huì )影響其他部分的工作，并且很適合嵌人式系統可裁剪性的要求：如果系統不需要某種服務(wù)，則只要簡(jiǎn)單地把相應的服務(wù)器刪掉即可。當然，系統設計人員也可根據實(shí)際需要對某一服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)行修改，雨不會(huì )影響其他部分，再由于內核是通過(guò)消息與服務(wù)器聯(lián)系的，是動(dòng)態(tài)鏈接的，因此在修改某個(gè)服務(wù)器進(jìn)程后，只要對修改的服務(wù)器進(jìn)行編譯即可，而沒(méi)有必要對整個(gè)操作系統進(jìn)行編譯。

此外，這種結構也適用于分布式系統。當客戶(hù)需要遠程服務(wù)器服務(wù)時(shí)，只要在系統調用的庫函數中把客戶(hù)進(jìn)程的請求裝配成數據包轉發(fā)給遠程的服務(wù)器，再接收遠程服務(wù)器所返回的結果，把結果再返回給客戶(hù)進(jìn)程。對客戶(hù)進(jìn)程來(lái)說(shuō)，它像正常一樣使用系統調用，而不知道也沒(méi)有必要知道這個(gè)服務(wù)是來(lái)自本地還是來(lái)自遠程主機。

盡管可把原屬于內核的服務(wù)模塊移動(dòng)到內核以外，但有幾項基本服務(wù)是沒(méi)有辦法這樣做的。例如，描述進(jìn)程的進(jìn)程控制塊一定應該是內核的內容，于是與進(jìn)程控制塊相關(guān)的進(jìn)程調度、進(jìn)程創(chuàng )建、進(jìn)程刪除等需要訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)程控制塊的服務(wù)必須要保留在內核中;進(jìn)程通信的管理當然也要保留在內核中;中斷的管理也要保留在內核中?？傊?，凡是需要使用處理器特權指令的功能模塊都要保留在內核中。