内核结构与设计

1. 内核的作用：管理资源的。
2. 管理什么资源：

1. 硬件资源：

1. 总线：负责连接各种其它设备，是其它设备工作的基础。
2. CPU：中央处理器，负责执行程序和处理数据运算。
3. 内存：负责储存运行时的代码和数据。
4. 硬盘：负责长久储存用户文件数据。
5. 网卡：负责计算机与计算机之间的通信。
6. 显卡：负责显示。
7. 各种I/O设备：如显示器，打印机，键盘，鼠标等。

1. 软件资源：

计算机中各种形式的数据。如文件，软件应用程序等。

3     如何管理，其内部组成如何？

       （1）     管理CPU：CPU是执行程序的，内核把运行的程序抽象成进程，所以管理CPU又称为进程管理。

       （2）     管理内存：内核有分配和释放内存的权力。

       （3）     管理硬盘：硬盘存放用户数据，而内核将用户数据抽象位文件，因此内核主要是管理文件，即合理组织，方便用户查找和读写文件，于是，形成文件系统，内核管理此系统。

       （4）     管理显卡：负责显示信息，支持GUI（图形用户接口），即内核管理图形系统。

       （5）     管理网卡：网络通信需要网络协议，内核中形成网络协议栈，又称网络组件。

       （6）     管理各种I/O设备：键盘，鼠标等I/O设备，在内核抽象成I/O管理器。

       （7）     驱动程序，安全组件等：驱动程序是内核管理和控制硬件需要用到的程序，驱动程序根据硬件的型号和规格等不同而不同。

总结：上述3，其实在告诉我们内核中一定要有啥：进程管组件，内存管理组件z，文件管理组件，图形系统组件，网络组件，I/O设备管理器组件，还有一些安全组件和硬件驱动程序等。

1. 假设有了这些组件，如何去用它们，乐高积木如何拼凑，这里介绍三种经典内核架构：

1. 宏内核：

1. 一个可执行程序；
2. 性能优，可扩展性差，没有模块化，一个错误就完蛋。。。
3. 宏内核就是把3中的组件编译链接在一起，形成一个可执行程序。
4. 内存分配服务过程：

$ 应用程序调用内存分配API（应用程序接口）函数。

$   处理器切换特权模式，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，引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。

1. 微内核：

1. 多个库链接。
2. 可扩展性优，模块化，性能差。
3. 微内核中仅有进程调度，处理中断，内存空间映射，进程间通信等功能，其余的实际的功能性组件如进程管理，内存管理等都做成服务进程，和上位机用户进程一样的实现，只不过他们服务于内核。
4. 如何做组件应用之间的通信？ 答：消息。。。（服务进程的标称模型就是循环处理来自其他进程的消息，完成相关服务功能）
5. 内存分配服务过程：

$ 应用程序发送内存分配的消息，发消息的是微内核提供的函数，相当于系统API。（微内核的 API（应用程序接口）相当少，极端情况下仅需要两个，一个接收消息的 API 和一个发送消息的 API。）

$   处理器切换特权模式，开始运行内核代码。

$ 微内核代码让当前进程停止运行，并根据消息包中的数据，确定消息发送给谁。（这个例子当然是内存管理服务进程）

$ 内存管理服务进程收到消息，分配一块内存。

$ 内存管理服务进程,，也会通过消息返回分配内存块的地址给内核，然后继续等待下一条消息。

$ 处理器开始运行用户模式下的应用程序，引用程序就得到一块内存首地址，并且可以使用这块内存了。

1. 混合内核：

1. 结合了宏，微内核优点
2. 这里提供一个叫软件抽象层（它是独立层）的概念：我理解：将每次都需要改变的代码放到这一层，主要用于硬件，分离硬件的相关性，就是要把操作硬件和处理硬件功能差异的代码抽离出来，形成一个独立的软件抽象层，对外提供相应的接口，方便上层开发。
3. 一个例子说明软件抽象层：

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。

3.我们不难发现，不管是在 ARM 硬件平台上还是在 x86 硬件平台上，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。

4.因此将进程切换放到软件抽象层。

1. 混合层架构分成三层：内核接口层，内核功能层，内核硬件层。
2. 内核接口层：定义了一套 UNIX 接口的子集，接口少，并且这几个接口又能大致定义出操作系统的功能；检查其参数是否合法，如果参数有问题就返回相关的错误。
3. 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。

1. 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。
3. 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。
4. 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。

1. 内核硬件层：主要包括一个具体硬件平台相关的代码。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

【8】

总结：我知道内核中基础的组件，和三种基本内核架构，至于为什么就需要这些组件和这些组件都干什么，什么作用，为什么混合内核那么设计，每个组件之间的联系，我不知道啊。。。。。

感谢极客时间彭东大神。。。基本复制原文。