3内核结构与设计
重点
1.计算机的硬件资源
2.操作系统要提供的功能
3.宏内核与微内核
4.操作系统分层
硬件资源
计算机中资源大致可以分为两类资源，一种是硬件资源，一种是软件资源。先来看看硬件资源有哪些，如下：
- 总线，负责连接各种其它设备，是其它设备工作的基础。
2.CPU，即中央处理器，负责执行程序和处理数据运算。 - 内存，负责储存运行时的代码和数据。
- 硬盘，负责长久储存用户文件数据。
- 网卡，负责计算机与计算机之间的通信。
- 显卡，负责显示工作。
- 各种 I/O 设备，如显示器，打印机，键盘，鼠标等。
内核的作用
内核作为硬件资源和软件资源的管理者，其内部组成在逻辑上大致如下：
1.管理 CPU，由于 CPU 是执行程序的，而内核把运行时的程序抽象成进程，所以又称为进程管理。
2.管理内存，由于程序和数据都要占用内存，内存是非常宝贵的资源，所以内核要非常小心地分配、释放内存。
3.管理硬盘，而硬盘主要存放用户数据，而内核把用户数据抽象成文件，即管理文件，文件需要合理地组织，方便用户查找和读写，所以形成了文件系统。
4.管理显卡，负责显示信息，而现在操作系统都是支持 GUI（图形用户接口）的，管理显卡自然而然地就成了内核中的图形系统。
5.管理网卡，网卡主要完成网络通信，网络通信需要各种通信协议，最后在内核中就形成了网络协议栈，又称网络组件。
6.管理各种 I/O 设备，我们经常把键盘、鼠标、打印机、显示器等统称为 I/O（输入输出）设备，在内核中抽象成 I/O 管理器。
内核除了这些必要组件之外，根据功能不同还有安全组件等，最值得一提的是，各种计算机硬件的性能不同，硬件型号不同，硬件种类不同，硬件厂商不同，内核要想管理和控制这些硬件就要编写对应的代码，通常这样的代码我们称之为驱动程序。
硬件厂商就可以根据自己不同的硬件编写不同的驱动，加入到内核之中。
经典内核结构
宏内核结构
宏内核就是把以上诸如管理进程的代码、管理内存的代码、管理各种 I/O 设备的代码、文件系统的代码、图形系统代码以及其它功能模块的代码，把这些所有的代码经过编译，最后链接在一起，形成一个大的可执行程序。
这个大的可执行程序也向用户提供了一些接口：就是我们常说的系统调用
结构大体如图
- 应用程序调用内存分配的 API（应用程序接口）函数。
- 处理器切换到特权模式，开始运行内核代码。
- 内核里的内存管理代码按照特定的算法，分配一块内存。
- 把分配的内存块的首地址，返回给内存分配的 API 函数。
- 内存分配的 API 函数返回，处理器开始运行用户模式下的应用程序，应用程序就得到了一块内存的首地址，并且可以使用这块内存了。
宏内核结构有明显的缺点，因为它没有模块化，没有扩展性、没有移植性，高度耦合在一起，一旦其中一个组件有漏洞，内核中所有的组件可能都会出问题
开发一个新的功能也得重新编译、链接、安装内核。其实现在这种原始的宏内核结构已经没有人用了。这种宏内核唯一的优点是性能很好，因为在内核中，这些组件可以互相调用，性能极高
微内核
微内核架构正好与宏内核架构相反，它提倡内核功能尽可能少：仅仅只有进程调度、处理中断、内存空间映射、进程间通信等功能
这样的内核是不能完成什么实际功能的，开发者们把实际的进程管理、内存管理、设备管理、文件管理等服务功能，做成一个个服务进程。
和用户应用进程一样，只是它们很特殊，宏内核提供的功能，在微内核架构里由这些服务进程专门负责完成
微内核定义了一种良好的进程间通信的机制——消息。应用程序要请求相关服务，就向微内核发送一条与此服务对应的消息，微内核再把这条消息转发给相关的服务进程，接着服务进程会完成相关的服务。服务进程的编程模型就是循环处理来自其它进程的消息，完成相关的服务功能
在微内核下拐了几个弯，一来一去的消息带来了非常大的开销，当然各个服务进程的切换开销也不小。这样系统性能就大打折扣。
微内核有很多优点，首先，系统结构相当清晰利于协作开发。其次，系统有良好的移植性，微内核代码量非常少，就算重写整个内核也不是难事。最后，微内核有相当好的伸缩性、扩展性
分离硬件的相关性
今天如此庞杂的计算机，其实也是一层一层地构建起来的，从硬件层到操作系统层再到应用软件层这样构建。分层的主要目的和好处在于屏蔽底层细节，使上层开发更加简单。
计算机领域的一个基本方法是增加一个抽象层，从而使得抽象层的上下两层独立地发展，所以在内核内部再分若干层也不足为怪。
比如进程调度模块要有两种机制：
1.进程调度，它的目的是要从众多进程中选择一个将要运行的进程，当然有各种选择的算法，例如，轮转算法、优先级算法等
2.进程切换，它的目的是停止当前进程，运行新的进程，主要动作是保存当前进程的机器上下文，装载新进程的机器上下文。
选择一个进程的算法和代码是不容易发生改变的，需要改变的代码是进程切换的相关代码，因为不同的硬件平台的机器上下文是不同的。
这时最好是将进程切换的代码放在一个独立的层中实现，比如硬件平台相关层，当操作系统要运行在不同的硬件平台上时，就只是需要修改硬件平台相关层中的相关代码，这样操作系统的移植性就大大增强了。
我们的选择
首先大致将我们的操作系统内核分为三个大层，分别是：
- 内核接口层。
- 内核功能层。
- 内核硬件层。
内核接口层：定义了一系列接口，主要有以下内容
1.定义接口
2.检查其参数是否合法，如果参数有问题就返回相关的错误，接着调用下层完成功能的核心代码
内核功能层
主要完成各种实际功能，这些功能按照其类别可以分成各种模块，当然这些功能模块最终会用具体的算法、数据结构、代码去实现它，内核功能层的模块如下：
- 进程管理，主要是实现进程的创建、销毁、调度进程，当然这要设计几套数据结构用于表示进程和组织进程，还要实现一个简单的进程调度算法。2. 内存管理，在内核功能层中只有内存池管理，分两种内存池：页面内存池和任意大小的内存池。
- 中断管理，这个在内核功能层中非常简单：就是把一个中断回调函数安插到相关的数据结构中，一旦发生相关的中断就会调用这个函数。
- 设备管理，这个是最难的，需要用一系列的数据结构表示驱动程序模块、驱动程序本身、驱动程序创建的设备，最后把它们组织在一起，还要实现创建设备、销毁设备、访问设备的代码，这些代码最终会调用设备驱动程序，达到操作设备的目的。
内核硬件层，主要包括一个具体硬件平台相关的代码
- 初始化，初始化代码是内核被加载到内存中最先需要运行的代码，例如初始化少量的设备、CPU、内存、中断的控制、内核用于管理的数据结构等。
- CPU 控制，提供 CPU 模式设定、开、关中断、读写 CPU 特定寄存器等功能的代码。
- 中断处理，保存中断时机器的上下文，调用中断回调函数，操作中断控制器等。
- 物理内存管理，提供分配、释放大块内存，内存空间映射，操作 MMU、Cache 等。
- 平台其它相关的功能，有些硬件平台上有些特殊的功能，需要额外处理一下。
