微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)

通用操作系統(tǒng)要滿足各種不同用戶的要求，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(tǒng)就有所不同，因?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)的用戶群以及對功能的要求有某種程度的“專用”性，所以在一個(gè)特定的應(yīng)用中，嵌入式操作系統(tǒng)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(shè)計(jì)小內(nèi)核創(chuàng)造了條件。

相對于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，內(nèi)存在嵌人式系統(tǒng)中是更為稀缺珍貴的資源。因此，作為需要常駐內(nèi)存的操作系統(tǒng)的內(nèi)核，在滿足應(yīng)用的前提下越小越好。

另外，為了滿足不同的應(yīng)用需要，嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為嵌人式系統(tǒng)重要的軟件，應(yīng)支持可裁剪性。換句話說，嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)高度模塊化，并要提供非常靈活的手段，讓系統(tǒng)開發(fā)者能根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用。當(dāng)然，也應(yīng)允許用戶根據(jù)需要編寫自己的功能模塊，并可以很方便地集成到系統(tǒng)中。

目前，從操作系統(tǒng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)來看，對于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來說，使用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)較好的選擇。

在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，微內(nèi)核并不是通過減少內(nèi)核的服務(wù)功能模塊而變小的，而是把內(nèi)核中應(yīng)提供的部分服務(wù)功能模塊移動(dòng)到內(nèi)核外來實(shí)現(xiàn)的。這一點(diǎn)看起來有些費(fèi)解，其實(shí)也很簡單。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，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(nèi)核的設(shè)計(jì)思想與上面所舉的例子一樣。如果把內(nèi)核的某些服務(wù)模塊作為一個(gè)進(jìn)程放在內(nèi)核以外，那么當(dāng)要求服務(wù)的進(jìn)程有服務(wù)要求時(shí)，這個(gè)仍然是通過系統(tǒng)調(diào)用接口向內(nèi)核提出服務(wù)申請，而系統(tǒng)調(diào)用接口接收到該申請后，則立即通過向內(nèi)核外的服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)消息來啟動(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(yīng)的服務(wù)。顯然，這樣一來，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(tǒng)的用戶區(qū)而處在同一個(gè)層次上了，所以內(nèi)核也就變小了。為了區(qū)別兩種不同的進(jìn)程，把要求服務(wù)的進(jìn)程叫做“客戶”，把提供服務(wù)的進(jìn)程叫做“服務(wù)器”，這種微內(nèi)核結(jié)構(gòu)也叫做“客戶/服務(wù)器”結(jié)構(gòu)。微內(nèi)核的“客戶/服務(wù)器”結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

圖 微內(nèi)核的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖

在微內(nèi)核中，由于客戶/服務(wù)器的這種結(jié)構(gòu)使內(nèi)核變得更便于維護(hù)，一旦某部分發(fā)生錯(cuò)誤，不會(huì)影響其他部分的工作，并且很適合嵌人式系統(tǒng)可裁剪性的要求：如果系統(tǒng)不需要某種服務(wù)，則只要簡單地把相應(yīng)的服務(wù)器刪掉即可。當(dāng)然，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也可根據(jù)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(nèi)核是通過消息與服務(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，而沒有必要對整個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行編譯。

此外，這種結(jié)構(gòu)也適用于分布式系統(tǒng)。當(dāng)客戶需要遠(yuǎn)程服務(wù)器服務(wù)時(shí)，只要在系統(tǒng)調(diào)用的庫函數(shù)中把客戶進(jìn)程的請求裝配成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程的服務(wù)器，再接收遠(yuǎn)程服務(wù)器所返回的結(jié)果，把結(jié)果再返回給客戶進(jìn)程。對客戶進(jìn)程來說，它像正常一樣使用系統(tǒng)調(diào)用，而不知道也沒有必要知道這個(gè)服務(wù)是來自本地還是來自遠(yuǎn)程主機(jī)。

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