L4微内核技术浅析

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1、202计算机科学技术进展L4微内核技术浅析陈斐(江南计算技术研究所，江苏无锡摘要：微内核很小但是很灵活。传统的和非传统的操作系统都可政建立在微内核之上，也适合在微内核上运行。L4是一种可以在alpha上实现的微内核，它可以用C和汇编语言来实现。特别的，L4支持可扩展性和定制性，支持包含可靠性和容错处理的健壮性，保护和安全性，并支持LinuxAPI和ABI，本文对L4做简要概述，介绍了L4的主要概念、特性和技术。关键词：L4；操作系统；微内核‘r1。AnalyzingofL4MicrokernelTechnique‘f．tCHENFei(JiangnanInstituteofComputing

2、Technology，Wuxi214083，China)Abstract：Microkernelsareminimalbuthighlyflexiblekernels．Bothconventionalandunconventionaloperatingsystemscanbebuiltontopoforadaptedtorunontopofthem．1．4isthemicrokernelwhichcallrunonalphaandimplementedwithCorassemblylanguage．Itshouldparticularlysupportextensibilityandcust

3、omizability，robust。nessincludingreliabilityandfaulttolerance，protectionandsecUrity，anditsupportLinuxAPIandABI．Inthispa—perwepresentabriefoverviewofL4，describethemainconcepts，featuresandtechnologiesofIA．Keywords．．IA，operatingsystem，microkernel1引言进入21世纪，计算机技术日新月异，操作系统项目的研究，开始朝着研制能够有效管理和使用，以及适应对性能、安全、

4、容错、升级需求的方向发展。主要的研究目标包括：易于使用，支持体系结构的创新，动态的管理策略，支持故障处理，可扩展，自感知和优化等等。而现有操作系统一般采用集中式关键代码路径、全局数据结构和全局策略，所采用的技术已经相对落后。为了获得一个具有高可维护性和高可扩展性的系统，我们又把眼光重新投向微内核技术上。‘L4是第二代微内核接口。一开始L4是用汇编语言编写的，随后，L4开始由高级语言，如C和C+十编写，它可以接口到不同的体系结构(例如Alpha，ARM，MIPS)。L4第二代微内核的体系结构如图1所示，它的设计思想主要基于以下概念：内核只提供地址空间管理，内存分配，线程创建，销毁，消息传递等基

5、本的操作功能，其他所有的服务，如文件操作，网络协议处理，甚至设备驱动等都交给用户态应用程序来处理。每个服务有它自己的地址空间。以此，增大了系统的灵活性。同时，内核可以针对特定的平台做深度的优化。L4微内核技术浅析203应用程序与支撑环境’Unix服务器DOS服务器MSCWindows服务器OS／2,q艮务器⋯文件服务器网络服务器t锣服务器⋯，调度策略服务器驱动程序服务器交换页面服务器⋯进程间通信处理器管理进程与线程管理虚拟内存管理I／O设备操作底层模块硬件平台：CPU，Cache，MMU，TLB，Memory，EPROM，I／ODEVICES⋯‘图1微内核体系结构●2以L4为代表的第二代微内

6、核的产生和特点总的来说，微内核设计带来了良好性能。但是，它的设计有一个重要缺点，那就是消息传递的步骤过多，用户态和核心态之间的切换频繁，以及不同地址空间之间的切换过多，这些都导致了以mach为主要代表的第一代微内核性能比它设计初期的预想要低得多。也是mach最终没有流行起来的重要原因。解决微内核设计性能问题的一个方法是扩大微内核并把一些关键的服务程序和驱动程序重新加入到内核中去，从而减少系统在用户态和核心态之间的切换，以及系统在不同地址空间之间的切换。这方面的例子有WindowsNT4．0的设计，这个版本的WindowsNT把本来运行在用户态的图形系统又重新加入到内核中，大大提高了图形系统的

7、性能。但是，扩大内核的方法大大削弱了微内核思想带来的优点，扩大的内核降低了系统的扩展性、灵活性和可靠性。与扩大内核的思路相反，解决微内核性能问题的另一条思路是进一步减少内核的大小并对远程过程调用进行直接优化。这种思路导致了被称为第二代微内核的一些新的内核设计的出现。在这些新的微内核中，L4微内核是一个著名的例子。L4微内核只将基本的操作功能留在内核中，从而进一步缩小内核的设计，带来的一个重要优点是大大提高了操