[架构之路-124]-《软考-系统架构设计师》-操作系统-3-操作系统原理 - IO设备微内核嵌入式系统

Posted 2023-03-08 文火冰糖的硅基工坊

第11章 操作系统

第5节 设备管理/文件管理：IO

5.1 文件管理

5.2 IO设备管理（内存与IO设备之间）

数据传输控制是指如何在内存和IO硬件设备之间传输数据，即：

• 设备何时空闲？

• 设备何时完成数据的传输？

SPOOLING （即外部设备联机并行操作），即Simultaneous Peripheral Operations On-Line的缩写，它是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息一种技术，通常称为“假脱机技术”。

SPOOLING技术实际上是一种外围设备同时联机操作技术,又称为排队转储技术。

它在输入和输出之间增加了“输入井”和“输出井”的排队转储环节。

若有进程要求对它打印输出时，SPOOLing系统并不是将这台打印机直接分配给进程，而是在共享设备（磁盘或磁鼓）上的输出SPOOLing存储区中为其分配一块存储空间，进程的输出数据以文件形式存放于此。各进程的数据输出文件形成了一个输出队列，由输出SPOOLing系统控制这台打印机进程，依次将队列中的输出文件实际打印输出。

在SPOOLing 系统中，实际上并没有为任何进程分配打印机这种需要独占的慢速设备，而只是在输入井和输出井中，为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。这样，便把独占设备改造为共享设备。有了SPOOLing，应用程序只需要把待打印的数据文件发送给缓冲区中，然后快速返回，并由SPOOLing 系统负责读取缓冲区排队队列中的数据，然后送到物理的打印机中。这种方式提高了需要打印的线程的执行的效率，不需要等待其他进程完成打印。

假脱机即SPOOLing。SPOOLing技术是低速输入输出设备与主机交换的一种技术，通常也称为“假脱机真联机”，他的核心思想是以联机的方式得到脱机的效果。SPOOLing是Simultaneous Peripheral Operation On-Line （即外部设备联机并行操作）的缩写，它是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，通常称为“假脱机技术”。

SPOOLing系统既不同于脱机方式，也不同于直接耦合方式,SPOOLing技术实际上是一种外围设备同时联机操作技术，又称为排队转储技术。它在输入和输出之间增加了“输入井”和“输出井”的排队转储环节，以消除用户的“联机”等待时间。

在系统输入模块收到作业输入请求信号后，输入管理模块中的读线程负责将信息从输入装置中读入输入井缓冲区。当缓冲区满时，由写过程将信息从缓冲区写到外存的输入井中，读过程和写过程反复循环，直到一个作业输入完毕。当读过程读到一个硬件结束标志之后，系统再次驱动写过程把最后一批信息写入外存输入井并调用中断处理程序结束该次输入。然后，系统为该作业建立作业控制块，从而使输入井中的作业进入作业等待队列，等待作业调度程序选中后进入内存运行。系统在管理输入井过程中可以“不断”读入输入的作业，直到输入结束或输入井满而暂停。若系统的某台行式打印机采用了虚拟设备技术，那么若有进程要求对它打印输出时,SPOOLing系统并不是将这台打印机直接分配给进程，而是在共享设备（磁盘）上的输出,SPOOLing存储区中为其分配一块存储空间，进程的输出数据以文件形式保存在此。各进程的数据输出文件形成了一个输出队列，由输出POOLing系统控制这台打印机进程，依次将队列中的输出文件实际打印输出。在SPOOLing系统中，实际上并没有为任何进程分配，而只是在输入井和输出井中，为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。这样，便把独占设备改造为共享设备。

第6节 微内核操作系统

单内核

单内核就是从整体上把内核作为一个大过程来实现，同时也运行在一个单独的地址空间上。因此单内核通常以单个静态二进制文件的形式存放于磁盘中。而进程管理、内存管理等是其中的一个个模块，所有内核模块都在这样的一个大内核地址空间上运行。模块之间可以直接调用相关的函数。效率高，紧凑性强。

大多数的Unix系统都设计为单内核。Linux也是一个单内核，也就是说，Linux内核运行在单独的内核地址空间上。

Linux还积极汲取了微内核的优点：模块化设计、抢占式内核、支持内核线程、动态装载内核模块的能力。Linux还避免了微内核的性能损失缺陷，让所有事情都运行于内核态，直接调用函数，无须消息传递。

微内核

微内核并不作为一个单独的大过程来实现，微内核的功能被划分为多个独立的过程，过程之间保持独立并运行在各自的地址空间上。

微内核是一种功能更贴近硬件的核心软件，它一般仅仅包括基本的内存管理、同步原语、进程间通信机制、IO操作和中断管理（只是将OS中最核心的功能加入内核），这样做有利于提高可扩展性和可移植性，但微内核与文件管理、设备驱动、虚拟内存管理、进程管理等其他上层模块之间需要有较高的通信开销。

微内核的IPC机制的开销多于函数调用，又因为会涉及内核空间与用户空间的上下文切换，因此，消息传递需要一定的周期，而单内核中简单的函数调用没有这些开销。所以，目前实际应用的基于微内核的系统都让大部分或全部服务器位于内核中，这样就可以直接调用函数，消除频繁的上下文切换同。

Windows NT内核（Windows XP、Windows Vista、Windows 7)和Mach（Mac OS X 的组成部分）都是微内核结构。

第7节 嵌入式操作系统

嵌入式系统是以应用为中心，以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。

嵌入式系统由硬件和软件组成．是能够独立进行运作的器件。其软件内容只包括软件运行环境及其操作系统。硬件内容包括信号处理器、存储器、通信模块等在内的多方面的内容。相比于一般的计算机处理系统而言，嵌入式系统存在较大的差异性， 它不能实现大容量的存储功能，因为没有与之相匹配的大容量介质，大部分采用的存储介质有E-PROM、EEPROM 等， 软件部分以API编程接口作为开发平台的核心。

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称：EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。

嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：嵌入式实时操作系统µC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。

第8节 网络协议栈

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