1 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的爭論
一般而言操作系統(tǒng)提供兩種功能 [2] ：⒈有系統(tǒng)地在互相競爭的進(jìn)程之間分配計算機資源；⒉作為計算機的擴展，提供功能強大的編程環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境。由于計算機硬件的快速發(fā)展和用戶要求的提高，操作系統(tǒng)的復(fù)雜性與日俱增，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響也越來越明顯。
關(guān)于操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的討論一直沒有停息過，大多數(shù)的操作系統(tǒng)采用兩種體系結(jié)構(gòu)之一：一個是整體內(nèi)核 (Monolithic kernel or Macro-kernel) 操作系統(tǒng)，另一個是微內(nèi)核 (Micro-kernel) 操作系統(tǒng)。
1.1 整體內(nèi)核操作系統(tǒng)
整體內(nèi)核操作系統(tǒng)有如下特征：操作系統(tǒng)功能定義模塊，系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動程序都在內(nèi)核空間，分別定義成不同的功能模塊；任何模塊可以遵循特定的接口規(guī)范來調(diào)用其它模塊；所有模塊必須連接在一起，形成一個可執(zhí)行文件，使用時整個文件都應(yīng)完整裝載到計算機的內(nèi)存中；所有模塊都運行于超級用戶的模式下，可直接取用計算機的硬件資源；應(yīng)用程序若要取用這種資源，如掃描儀，它需要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，請求一個系統(tǒng)模塊幫它獲取相應(yīng)的資源。這里的系統(tǒng)調(diào)用實際上是這樣做的：首先將計算機切換到超級用戶模式，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的某個模塊。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)都是整體內(nèi)核的，例如 Microsoft DOS ， Linux ， Unix ， Windows95 等。
1.2 微內(nèi)核操作系統(tǒng) [5]
微內(nèi)核是從功能上說，它由操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)的抽象模塊構(gòu)成的，整體內(nèi)核系統(tǒng)中包含的許多系統(tǒng)服務(wù)以及驅(qū)動程序都被放在了核外，核內(nèi)一般只包括進(jìn)程管理、 I/O 處理、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通訊等。 MACH 是非常典型的微內(nèi)核系統(tǒng)， MACH 的核內(nèi)包括的抽象功能模塊有任務(wù)，線程，內(nèi)存對象，消息和端口，它們提供了管理和處理虛擬內(nèi)存，調(diào)度和進(jìn)程間通信的機制。模塊化的特點使 MACH 擁有可裁剪性，可擴展性，可移植性等良好特性，而這些特性是整體內(nèi)核操作系統(tǒng)很難具備的。除了 MACH 之外，微內(nèi)核操作系統(tǒng)還有 QNX 、 MINIX 、 CHORUS 、 AMORBA 等。
2 微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)的比較
簡而言之，微內(nèi)核將操作系統(tǒng)的許多服務(wù)移到了用戶空間，而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)通常是將其放在核內(nèi)的，這對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了顯著的影響。微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)比較具有以下優(yōu)點：
魯棒性 (Robustness) 微內(nèi)核系統(tǒng)將許多系統(tǒng)服務(wù)放到用戶空間，由于這些服務(wù)程序是運行在完全獨立的內(nèi)存空間中 ( 當(dāng)然這里不包括內(nèi)核級的服務(wù)程序 ) ，程序本身存在的 BUG 和不可預(yù)知的錯誤就不會那么容易導(dǎo)致內(nèi)核的崩潰。
安全性 (Security) 微內(nèi)核系統(tǒng)的許多模塊獨立地運行于核外，因此可以以模塊為單位把安全問題分解，使得系統(tǒng)服務(wù)程序嚴(yán)格按照安全要求運行，而不是“隨心所欲”。
可配置性 (Configurability) 一般微內(nèi)核系統(tǒng)中的服務(wù)程序可以在整個系統(tǒng)不重新啟動的情況下被更換，這一點對于整體內(nèi)核的操作系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。
易于編程 內(nèi)核中的代碼通常需要使用特殊的內(nèi)存分配和輸入輸出等例行程序，用戶態(tài)的代碼要比核態(tài)的代碼容易編寫，它無須去考慮內(nèi)核特定的一些限制。
降低內(nèi)存的固定使用量 分配給內(nèi)核的內(nèi)存 ( 代碼和數(shù)據(jù) ) 一般地說必須駐留在內(nèi)存中，不允許被交換出內(nèi)存。被移到用戶空間的核態(tài)代碼越多，內(nèi)核常駐內(nèi)存的程序量就越少，移到核外的系統(tǒng)服務(wù)程序只有在被用到時才會裝入內(nèi)存。
實時性能 系統(tǒng)運行于核態(tài)時，為了防止打斷一些臨界處理，會暫時禁止中斷。內(nèi)核中的代碼越少，禁止中斷的機會就越少。
可擴展性 (extensibility) 在微內(nèi)核系統(tǒng)中添加系統(tǒng)模塊就像編寫用戶程序一樣簡單，只要它遵從系統(tǒng)提供的設(shè)計接口，而整體內(nèi)核系統(tǒng)添加模塊首先需要你對操作系統(tǒng)內(nèi)部工作機制有一定的了解，在編寫好模塊程序之后，還需要重新編譯內(nèi)核，以便把添加的模塊連接到內(nèi)核中去。
前面提到的都是微內(nèi)核系統(tǒng)的進(jìn)步之處，當(dāng)然微內(nèi)核系統(tǒng)也并非完美無缺，微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)相比也有不足之處：
微內(nèi)核規(guī)模并不小 大多數(shù)微內(nèi)核系統(tǒng)的內(nèi)核規(guī)模并不小，盡管“微內(nèi)核”的名字讓人產(chǎn)生這種錯覺。 QNX 操作系統(tǒng)是一個例外，如果內(nèi)核做得很大相應(yīng)系統(tǒng)的 RAM 使用量就會有所增長；
效率的缺失 將許多系統(tǒng)的服務(wù)置于核外，就需要給這些服務(wù)程序之間提供相應(yīng)形式化的消息傳遞機制 (Message Passing Interface or Remote Procedure Call) 。在整體內(nèi)核操作系統(tǒng)中，不同的系統(tǒng)服務(wù)模塊總是通過系統(tǒng)內(nèi)存來互相傳遞信息，而微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中就只有用正式的機制，這樣會導(dǎo)致性能的降低，在 Linus 和 Tanenbaum 的有名的那場關(guān)于微內(nèi)核與整體內(nèi)核的爭論 [3] 了這個問題；
出現(xiàn)的新問題 系統(tǒng)的部件之間會出現(xiàn)一些新類型的死鎖或其他的條件錯誤，而這些在整體內(nèi)核的系統(tǒng)中是不會出現(xiàn)的。
3 研究現(xiàn)狀
由于操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)爭論的廣泛性，大多數(shù)從事操作系統(tǒng)研究和實現(xiàn)的學(xué)者們都意識到無論整體內(nèi)核還是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)都不是盡善盡美的。這場爭論帶來的另一積極后果是，雙方的支持者都試圖有所改變，以彌補自身系統(tǒng)存在的缺陷。
一直以來，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的支持者對整體內(nèi)核系統(tǒng)的可移植性都存在質(zhì)疑，整體內(nèi)核的操作系統(tǒng)也盡量使其內(nèi)核模塊化，減少模塊之間的依賴性，這樣就提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和系統(tǒng)的可移植性。
整體內(nèi)核的支持者對微內(nèi)核結(jié)構(gòu)最有力的反擊往往是效率問題，的確由于微內(nèi)核系統(tǒng)將很多系統(tǒng)服務(wù)放在核外，系統(tǒng)的效率難免會受影響。因此最近幾年微內(nèi)核的支持者忙于研究如何提高系統(tǒng)的效率，一種途徑是尋找更優(yōu)的進(jìn)程間通訊機制，以便從根本上提高效率，另一種結(jié)果是一些微內(nèi)核系統(tǒng)把有的系統(tǒng)服務(wù)又重新置于內(nèi)核之中，這從某種程度上確實提高了效率，但是其代價是一定程度上違背了微內(nèi)核的初衷。
近幾年由于嵌入式系統(tǒng)的飛快發(fā)展，微內(nèi)核操作系統(tǒng)的研究又成為熱點，這主要是因為嵌入式系統(tǒng)資源有限，而整體內(nèi)核系統(tǒng)的內(nèi)核一般都要占據(jù)很大的內(nèi)存空間，這是嵌入式系統(tǒng)無法容忍的。嵌入式系統(tǒng)看好微內(nèi)核的另一重要原因是魯棒性和可動態(tài)配置，因為許多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是用于控制系統(tǒng)，控制失靈往往會造成難以估計的災(zāi)難。微內(nèi)核的缺點在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中仍然非常突出，嵌入式系統(tǒng)通常都要求較高的效率。
從上面的論述中可以看出，微內(nèi)核和整體內(nèi)核的爭論問題，最后歸結(jié)為穩(wěn)定性和效率的選擇問題。迄今為止，仍沒有很完美的解決方案，一般是根據(jù)問題的重點決定采用某種方案。
一般而言操作系統(tǒng)提供兩種功能 [2] ：⒈有系統(tǒng)地在互相競爭的進(jìn)程之間分配計算機資源；⒉作為計算機的擴展，提供功能強大的編程環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境。由于計算機硬件的快速發(fā)展和用戶要求的提高，操作系統(tǒng)的復(fù)雜性與日俱增，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響也越來越明顯。
關(guān)于操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的討論一直沒有停息過，大多數(shù)的操作系統(tǒng)采用兩種體系結(jié)構(gòu)之一：一個是整體內(nèi)核 (Monolithic kernel or Macro-kernel) 操作系統(tǒng)，另一個是微內(nèi)核 (Micro-kernel) 操作系統(tǒng)。
1.1 整體內(nèi)核操作系統(tǒng)
整體內(nèi)核操作系統(tǒng)有如下特征：操作系統(tǒng)功能定義模塊，系統(tǒng)服務(wù)和驅(qū)動程序都在內(nèi)核空間，分別定義成不同的功能模塊；任何模塊可以遵循特定的接口規(guī)范來調(diào)用其它模塊；所有模塊必須連接在一起，形成一個可執(zhí)行文件，使用時整個文件都應(yīng)完整裝載到計算機的內(nèi)存中；所有模塊都運行于超級用戶的模式下，可直接取用計算機的硬件資源；應(yīng)用程序若要取用這種資源，如掃描儀，它需要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，請求一個系統(tǒng)模塊幫它獲取相應(yīng)的資源。這里的系統(tǒng)調(diào)用實際上是這樣做的：首先將計算機切換到超級用戶模式，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的某個模塊。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)都是整體內(nèi)核的，例如 Microsoft DOS ， Linux ， Unix ， Windows95 等。
1.2 微內(nèi)核操作系統(tǒng) [5]
微內(nèi)核是從功能上說，它由操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)的抽象模塊構(gòu)成的，整體內(nèi)核系統(tǒng)中包含的許多系統(tǒng)服務(wù)以及驅(qū)動程序都被放在了核外，核內(nèi)一般只包括進(jìn)程管理、 I/O 處理、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通訊等。 MACH 是非常典型的微內(nèi)核系統(tǒng)， MACH 的核內(nèi)包括的抽象功能模塊有任務(wù)，線程，內(nèi)存對象，消息和端口，它們提供了管理和處理虛擬內(nèi)存，調(diào)度和進(jìn)程間通信的機制。模塊化的特點使 MACH 擁有可裁剪性，可擴展性，可移植性等良好特性，而這些特性是整體內(nèi)核操作系統(tǒng)很難具備的。除了 MACH 之外，微內(nèi)核操作系統(tǒng)還有 QNX 、 MINIX 、 CHORUS 、 AMORBA 等。
2 微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)的比較
簡而言之，微內(nèi)核將操作系統(tǒng)的許多服務(wù)移到了用戶空間，而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)通常是將其放在核內(nèi)的，這對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了顯著的影響。微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)比較具有以下優(yōu)點：
魯棒性 (Robustness) 微內(nèi)核系統(tǒng)將許多系統(tǒng)服務(wù)放到用戶空間，由于這些服務(wù)程序是運行在完全獨立的內(nèi)存空間中 ( 當(dāng)然這里不包括內(nèi)核級的服務(wù)程序 ) ，程序本身存在的 BUG 和不可預(yù)知的錯誤就不會那么容易導(dǎo)致內(nèi)核的崩潰。
安全性 (Security) 微內(nèi)核系統(tǒng)的許多模塊獨立地運行于核外，因此可以以模塊為單位把安全問題分解，使得系統(tǒng)服務(wù)程序嚴(yán)格按照安全要求運行，而不是“隨心所欲”。
可配置性 (Configurability) 一般微內(nèi)核系統(tǒng)中的服務(wù)程序可以在整個系統(tǒng)不重新啟動的情況下被更換，這一點對于整體內(nèi)核的操作系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。
易于編程 內(nèi)核中的代碼通常需要使用特殊的內(nèi)存分配和輸入輸出等例行程序，用戶態(tài)的代碼要比核態(tài)的代碼容易編寫，它無須去考慮內(nèi)核特定的一些限制。
降低內(nèi)存的固定使用量 分配給內(nèi)核的內(nèi)存 ( 代碼和數(shù)據(jù) ) 一般地說必須駐留在內(nèi)存中，不允許被交換出內(nèi)存。被移到用戶空間的核態(tài)代碼越多，內(nèi)核常駐內(nèi)存的程序量就越少，移到核外的系統(tǒng)服務(wù)程序只有在被用到時才會裝入內(nèi)存。
實時性能 系統(tǒng)運行于核態(tài)時，為了防止打斷一些臨界處理，會暫時禁止中斷。內(nèi)核中的代碼越少，禁止中斷的機會就越少。
可擴展性 (extensibility) 在微內(nèi)核系統(tǒng)中添加系統(tǒng)模塊就像編寫用戶程序一樣簡單，只要它遵從系統(tǒng)提供的設(shè)計接口，而整體內(nèi)核系統(tǒng)添加模塊首先需要你對操作系統(tǒng)內(nèi)部工作機制有一定的了解，在編寫好模塊程序之后，還需要重新編譯內(nèi)核，以便把添加的模塊連接到內(nèi)核中去。
前面提到的都是微內(nèi)核系統(tǒng)的進(jìn)步之處，當(dāng)然微內(nèi)核系統(tǒng)也并非完美無缺，微內(nèi)核系統(tǒng)和整體內(nèi)核系統(tǒng)相比也有不足之處：
微內(nèi)核規(guī)模并不小 大多數(shù)微內(nèi)核系統(tǒng)的內(nèi)核規(guī)模并不小，盡管“微內(nèi)核”的名字讓人產(chǎn)生這種錯覺。 QNX 操作系統(tǒng)是一個例外，如果內(nèi)核做得很大相應(yīng)系統(tǒng)的 RAM 使用量就會有所增長；
效率的缺失 將許多系統(tǒng)的服務(wù)置于核外，就需要給這些服務(wù)程序之間提供相應(yīng)形式化的消息傳遞機制 (Message Passing Interface or Remote Procedure Call) 。在整體內(nèi)核操作系統(tǒng)中，不同的系統(tǒng)服務(wù)模塊總是通過系統(tǒng)內(nèi)存來互相傳遞信息，而微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中就只有用正式的機制，這樣會導(dǎo)致性能的降低，在 Linus 和 Tanenbaum 的有名的那場關(guān)于微內(nèi)核與整體內(nèi)核的爭論 [3] 了這個問題；
出現(xiàn)的新問題 系統(tǒng)的部件之間會出現(xiàn)一些新類型的死鎖或其他的條件錯誤，而這些在整體內(nèi)核的系統(tǒng)中是不會出現(xiàn)的。
3 研究現(xiàn)狀
由于操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)爭論的廣泛性，大多數(shù)從事操作系統(tǒng)研究和實現(xiàn)的學(xué)者們都意識到無論整體內(nèi)核還是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)都不是盡善盡美的。這場爭論帶來的另一積極后果是，雙方的支持者都試圖有所改變，以彌補自身系統(tǒng)存在的缺陷。
一直以來，微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的支持者對整體內(nèi)核系統(tǒng)的可移植性都存在質(zhì)疑，整體內(nèi)核的操作系統(tǒng)也盡量使其內(nèi)核模塊化，減少模塊之間的依賴性，這樣就提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和系統(tǒng)的可移植性。
整體內(nèi)核的支持者對微內(nèi)核結(jié)構(gòu)最有力的反擊往往是效率問題，的確由于微內(nèi)核系統(tǒng)將很多系統(tǒng)服務(wù)放在核外，系統(tǒng)的效率難免會受影響。因此最近幾年微內(nèi)核的支持者忙于研究如何提高系統(tǒng)的效率，一種途徑是尋找更優(yōu)的進(jìn)程間通訊機制，以便從根本上提高效率，另一種結(jié)果是一些微內(nèi)核系統(tǒng)把有的系統(tǒng)服務(wù)又重新置于內(nèi)核之中，這從某種程度上確實提高了效率，但是其代價是一定程度上違背了微內(nèi)核的初衷。
近幾年由于嵌入式系統(tǒng)的飛快發(fā)展，微內(nèi)核操作系統(tǒng)的研究又成為熱點，這主要是因為嵌入式系統(tǒng)資源有限，而整體內(nèi)核系統(tǒng)的內(nèi)核一般都要占據(jù)很大的內(nèi)存空間，這是嵌入式系統(tǒng)無法容忍的。嵌入式系統(tǒng)看好微內(nèi)核的另一重要原因是魯棒性和可動態(tài)配置，因為許多嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是用于控制系統(tǒng)，控制失靈往往會造成難以估計的災(zāi)難。微內(nèi)核的缺點在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中仍然非常突出，嵌入式系統(tǒng)通常都要求較高的效率。
從上面的論述中可以看出，微內(nèi)核和整體內(nèi)核的爭論問題，最后歸結(jié)為穩(wěn)定性和效率的選擇問題。迄今為止，仍沒有很完美的解決方案，一般是根據(jù)問題的重點決定采用某種方案。