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內核

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A kernel connects the application software to the hardware of a computer

計算機科學中,內核英語Kernel),又稱核心,是一個電腦程式,用來管理軟體發出的資料I/O(輸入與輸出)要求,將這些要求轉譯為資料處理的指令,交由中央處理器(CPU)及電腦中其他電子元件進行處理,是現代作業系統中最基本的部分。它是為眾多應用程式提供對電腦硬體的安全存取的一部分軟體,這種存取是有限的,並由內核決定一個程式在什麼時候對某部分硬體操作多長時間。直接對硬體操作是非常複雜的。所以內核通常提供一種硬體抽象的方法,來完成這些操作。通過行程間通訊機制及系統呼叫,應用行程可間接控制所需的硬體資源(特別是處理器及IO裝置)。

嚴格地說,內核並不是電腦系統中必要的組成部分。程式可以直接地被調入電腦中執行;這樣的設計,說明了設計者不希望提供任何硬體抽象和作業系統的支援;它常見於早期電腦系統的設計中。最終,一些輔助性程式,例如程式載入器和偵錯程式,被設計到機器核心當中,或者寫入在唯讀記憶體里。這些變化發生時,作業系統內核的概念就漸漸明晰起來了。

分類[編輯]

內核在設計上,可以概分為單核心微內核兩大架構。在微內核之下,有一種極端的設計方式,稱為外內核。在單核心與微內核之間,進行妥協的設計,這稱為混合內核,但是混合內核能否被列為第三大架構,目前仍然有爭議。

單核心[編輯]

單內核的示意圖

單核心結構在硬體之上,定義了一個高階的抽象介面,應用一組原語(或者叫系統呼叫System call))來實作作業系統的功能,例如行程管理檔案系統,和儲存管理等等,這些功能由多個執行在核心態的模組來完成。

儘管每一個模組都是單獨地服務這些操作,內核代碼是高度整合的,而且難以編寫正確。因為所有的模組都在同一個內核空間上執行,一個很小的bug都會使整個系統崩潰。然而,如果開發順利,單內核結構就可以從執行效率上得到好處。

很多現代的單核心結構內核,如LinuxFreeBSD內核,能夠在執行時將模組調入執行,這就可以使擴充內核的功能變得更簡單,也可以使內核的核心部分變得更簡潔。

單核心結構的例子:

微內核[編輯]

微內核的示意圖

微內核結構由一個非常簡單的硬體抽象層和一組比較關鍵的原語或系統呼叫組成;這些原語,僅僅包括了建立一個系統必需的幾個部分;如執行緒管理位址空間行程間通訊等。

微核的目標是將系統服務的實作和系統的基本操作規則分離開來。例如,行程的輸入/輸出鎖定服務可以由執行在微核之外的一個服務元件來提供。這些非常模組化的用戶態伺服器用於完成作業系統中比較高階的操作,這樣的設計使內核中最核心的部分的設計更簡單。一個服務元件的失效並不會導致整個系統的崩潰,內核需要做的,僅僅是重新啟動這個元件,而不必影響其它的部分

微內核將許多OS服務放入分離的行程,如檔案系統,裝置驅動程式,而行程通過訊息傳遞呼叫OS服務。微內核結構必然是多執行緒的,第一代微內核,在核心提供了較多的服務,因此被稱為'胖微內核',它的典型代表是MACH,它既是GNU HURD也是APPLE SERVER OS的核心,可以說,蒸蒸日上。第二代微內核只提供最基本的OS服務,典型的OS是QNX,QNX在理論界很有名,被認為是一種先進的OS.

微內核結構的例子:

單內核與微內核的比較[編輯]

單內核結構是非常有吸引力的一種設計,由於在同一個位址空間上實作所有複雜的低階作業系統控制代碼的效率會比在不同位址空間上實作更高些。

20世紀90年代初,單內核結構被認為是過時的。把Linux設計成為單內核結構而不是微內核,引起了無數的爭議(參見塔能鮑姆-林納斯辯論)。

現在,單核結構正傾向於設計不容易出錯,所以它的發展會比微內核結構更迅速些。兩個陣營中都有成功的案例。微核經常被用於機器人和醫療器械的嵌入式設計中,因為它的系統的關鍵部分都處在相互分開的,被保護的儲存空間中。這對於單核設計來說是不可能的,就算它採用了執行時載入模組的方式。

儘管Mach是眾所周知的多用途的微內核,人們還是開發了除此之外的幾個微內核。L3是一個演示性的內核,只是為了證明微內核設計並不總是低執行速度。它的後續版本L4,甚至可以將Linux內核作為它的一個行程,執行在單獨的位址空間。

QNX是一個從20世紀80年代,就開始設計的微內核系統。它比Mach更接近微內核的理念。它被用於一些特殊的領域;在這些情況下,由於軟體錯誤,導致系統失效是不允許的。例如太空梭上的機械手,還有研磨望遠鏡鏡片的機器,一點點失誤就會導致上千美元的損失。

很多人相信,由於Mach不能夠解決一些提出微內核理論時針對的問題,所以微內核技術毫無用處。Mach的愛好者表明這是非常狹隘的觀點,遺憾的是似乎所有人都開始接受這種觀點。

外內核[編輯]

外內核系統,也被稱為縱向結構作業系統,是一種比較極端的設計方法。

它的設計理念是讓用戶程式的設計者來決定硬體介面的設計。外內核本身非常的小,它通常只負責系統保護和系統資源復用相關的服務。

傳統的內核設計(包括單核和微核)都對硬體作了抽象,把硬體資源或裝置驅動程式都隱藏在硬體抽象層下。比方說,在這些系統中,如果分配一段物理儲存,應用程式並不知道它的實際位置。

而外核的目標就是讓應用程式直接請求一塊特定的物理空間,一塊特定的磁碟塊等等。系統本身只保證被請求的資源當前是空閒的,應用程式就允許直接存取它。既然外核系統只提供了比較低階的硬體操作,而沒有像其他系統一樣提供高階的硬體抽象,那麼就需要增加額外的執行庫支援。這些執行庫執行在外核之上,給用戶程式提供了完整的功能。

理論上,這種設計可以讓各種作業系統執行在一個外核之上,如Windows和Unix。並且設計人員可以根據執行效率調整系統的各部分功能。

現在,外核設計還停留在研究階段,沒有任何一個商業系統採用了這種設計。幾種概念上的作業系統正在被開發,如劍橋大學的Nemesis,格拉斯哥大學的Citrix系統和瑞士電腦科學院的一套系統。麻省理工學院也在進行著這類研究。

混合內核[編輯]

混合內核的示意圖

混合內核的設計理念來自微內核,只不過它讓一些微核結構執行在用戶空間的代碼執行在內核空間,這樣讓內核的執行效率更高些。這是一種妥協做法,微軟視窗就是一個典型的例子。另外還有XNU,執行在蘋果Mac OS X上的內核,也是一個混合內核。林納斯·托瓦茲認為混合核心這種分類只是一種市場行銷手法,因為它的架構實作與運作方式與單核心並沒有什麼實質不同。

混合內核的例子:


參考文獻[編輯]

參見[編輯]