[系统运维]嵌入式 - 宏内核和微内核

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1. 20220315
   首次创建，对宏内核与微内核的概念做出简单的解释；

引言

与通用机操作系统一样，嵌入式操作系统也都有一个内核。
操作系统是由内核、用户界面、中间件、实用程序等组件组成的，其中内核起着最重要的作用。内核是操作系统中的一组核心程序模块，其作用包括管理系统资源、支持多任务并发执行，通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有访问硬件设备和所有空间的权限，是系统中仅有的能够执行特权指令的程序。

运行在用户态的应用程序可以通过系统调用进入核心态，完成操作后再返回用户态。

内核结构

操作系统的架构是由内核的结构决定的。操作系统的内核结构分为两类：

• 宏内核 (macro kernel）
• 微内核 (micro kernel)
  由于嵌入式系统资源有限、实时性和可靠性要求较高，因而操作系统内核的结构在嵌入式系统中更为重要。

宏内核结构

有些操作系统将内核的各个功能模块（如进程管理、文件系统、设备管理、网络通信等）整合在一起，模块间的交互通过直接调用其它模块中的函数来实现，执行效率高，性能好。这类操作系统内核称为宏内核或单内核（monolithic-kernel）.

特点

• 优点：性能较好，系统的各个组件之间可以互相调用，功能切换和通信开销比较小。
• 缺点：即使不使用的功能组件和设备驱动程序也常驻在内存中，占用资源较多，维护工作量大。

操作系统举例

单内核结构的操作系统有：传统的 Unix、BSD Unix、Linux、MS-DOS，Windows 9x, Windows CE 和 Android 操作系统也都属于单内核结构。

微内核结构

操作系统仅将必需的基本功能（如任务调度、任务间通信、低级存储管理、中断处理等）放入内核，它们运行在核心态；其他功能都在内核之外，由在用户态运行的服务来完成，这种做法使得内核结构很小，所以称之为微内核结构。

微内核结构将操作系统分为两部分：一是运行在核心态的内核，只完成很少的一部分核心任务；二是运行在用户态的若干进程，每个进程完成一组系统服务，称为“服务进程”。当用户任务运行时，如果需要操作系统提供服务，它就作为客户进程以消息进程方式向内核发出请求，内核将该请求以消息通信方式传给相应的服务进程，服务进程相应该请求并提供服务，其结果仍以消息通信方式通过内核返回给客户进程。

特点

• 优点

  • 内核精巧，结构紧凑，占用内存少，适合资源紧张的嵌入式系统；
  • 开发和维护方便，系统可以动态更新服务模块；
  • 接口一致：微内核提供了一致性接口，所有的服务都通过消息传递方式调用，用户态任务不需要区分是内核级服务还是用户级服务；
  • 可扩展性与可配置性强，很适合嵌入式系统的可裁剪要求；
  • 可靠性高：各个服务进程在用户态进行，有自己的内存空间，以消息方式通信，一个服务进程出错不会影响到整个内核，从而增强了系统的健壮性；
  • 支持分布式系统：服务器可以在不同的处理及上运行，适合多处理机系统或分布式处理系统。

• 缺点

  • 效率较低，性能较差；

典型操作系统举例

采用纯粹微内核结构的操作系统有 AIX, Mach, Minix, VxWorks, QNX 等。

宏内核 V.S. 微内核

宏内核：

参考资料

1. 知乎：微内核和宏内核；
2. 聊了聊宏内核和微内核，并吹了一波 Linux；
3. 《嵌入式系统开发技术》，高等教育出版社；