微内核技术.ppt
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03-微电子芯片技术47页PPT
电容的状态决定着内存基本存储单 元的逻辑状态： 充满电荷的电容器代表逻辑“1”； “空”的电容器代表逻辑“0”。
晶体管控制电容空或满。一个存储 单元只能存储一位二进制数码“1” 或“0”，
10
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的结构示意图
得它的运行非常的稳定。
不存在类似软盘,硬盘,光盘等的高速
旋转的盘片,所以它的体积往往可以做得
很小。
朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（ 专利号：ZL 99 1 17225.6；美国专利号US6829672。）
8
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
SiO2介电率为3.9；PZT介电率料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能 提供有效的电荷存储，尽管其面积和存储电压在继续下降。
9
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的单元
所有的DRAM基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。大量存储 单元组成存储矩阵。
5
§2. 微电子芯片技术发展对材料的需求
§2.1 概述 §2.2 衬底材料 §2.3 栅结构材料 §2.4 存储电容材料 §2.5 局域互连材料 §2.6 金属互连材料 §2.7 钝化材料
6
信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/半导体存储器
钝化材料 金属连线 电容介质 金属连线 铁电层
硅化物位线
MOS
输入信号线是字线 输出信号线是位线
晶体管控制电容空或满。一个存储 单元只能存储一位二进制数码“1” 或“0”，
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§2.4 存储电容材料/DRAM的结构示意图
得它的运行非常的稳定。
不存在类似软盘,硬盘,光盘等的高速
旋转的盘片,所以它的体积往往可以做得
很小。
朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（ 专利号：ZL 99 1 17225.6；美国专利号US6829672。）
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
SiO2介电率为3.9；PZT介电率料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能 提供有效的电荷存储，尽管其面积和存储电压在继续下降。
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/DRAM的单元
所有的DRAM基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。大量存储 单元组成存储矩阵。
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§2. 微电子芯片技术发展对材料的需求
§2.1 概述 §2.2 衬底材料 §2.3 栅结构材料 §2.4 存储电容材料 §2.5 局域互连材料 §2.6 金属互连材料 §2.7 钝化材料
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§2.4 存储电容材料/半导体存储器
钝化材料 金属连线 电容介质 金属连线 铁电层
硅化物位线
MOS
输入信号线是字线 输出信号线是位线
微系统技术介绍.ppt
2、微系统相关技术基础
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
微系统概述
Contents
1、什么是微系统(MICROSYSTEMS)
2、微系统相关技术基础
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
3、什么是微系统封装(Micro System Packaging)
4、什么是微电子封装(Microelectronic Packaging)
5、微电子封装发展进程(Development)
6、微系统封装技术的地位和作用(Role)
7、微系统封装中的技术挑战(The Challenge)
4/13/2020
2
1 What Is MICROSYSTEMS
? 微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学 (或光电子学 ) 技术、微机电系统 (MEMS) 等技术为核心，从系统工程的高度出 发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制 造、装配、集成微小型化功能装置。
? 我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可 以称为信息工程微系统。
10
1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Medical Spinal Cage Vsadek
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
微系统概述
Contents
1、什么是微系统(MICROSYSTEMS)
2、微系统相关技术基础
2.1、微电子技术(Microelectronics Technology) 2.2、射频与无线电技术(RF and Wireless Technologies) 2.3、光学技术(Optical Technology) 2.4、MEMS技术(MEMS Technology)
3、什么是微系统封装(Micro System Packaging)
4、什么是微电子封装(Microelectronic Packaging)
5、微电子封装发展进程(Development)
6、微系统封装技术的地位和作用(Role)
7、微系统封装中的技术挑战(The Challenge)
4/13/2020
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1 What Is MICROSYSTEMS
? 微系统是以微电子技术、射频与无线电技术、光学 (或光电子学 ) 技术、微机电系统 (MEMS) 等技术为核心，从系统工程的高度出 发，通过封封、互连等精细加工技术，在框架、基板等载体上制 造、装配、集成微小型化功能装置。
? 我们所讨论的微系统大量应用于信息工程领域，因此微系统也可 以称为信息工程微系统。
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1 What Is MICROSYSTEMS
Typical 微系统产品
Medical Spinal Cage Vsadek
微内核技术的概念和功能
微内核技术的概念和功能微内核技术是一种操作系统内核设计思想，主要目的是将操作系统内核划分为若干个独立的、功能单一的模块，每个模块运行在用户空间，通过消息传递进行通信和协作。
与传统的宏内核相比，微内核技术具有更好的可扩展性、可靠性和安全性等优势。
它能够实现操作系统的高效运行，提供良好的系统可维护性和灵活性，同时适应多种计算机硬件平台和应用场景。
在微内核技术中，内核被分为多个独立的模块，每个模块负责一个特定的功能，例如进程管理、文件系统、设备驱动等。
这些模块通过消息传递进行通信，而不是直接的函数调用。
这种设计使得每个模块只需要关注自身的功能而不需要知道其他模块的具体实现细节，提高了代码的可维护性和可重用性。
微内核技术的主要功能包括：1. 进程管理：微内核负责管理系统中的进程，包括进程的创建、调度、挂起、恢复等。
通过消息传递，不同的进程可以进行通信和协作，提高了系统的可扩展性和灵活性。
2. 内存管理：微内核负责对系统内存的分配和管理，包括虚拟内存的映射、页面置换、内存保护等。
通过独立的内存管理模块，可以灵活地适应不同的内存需求和硬件平台。
3. 文件系统：微内核提供文件系统的管理功能，包括文件的打开、读写、关闭等操作。
通过消息传递，不同的文件系统模块可以提供不同的文件系统服务，满足不同应用的需求。
4. 设备驱动：微内核负责管理系统中的设备驱动，包括设备的初始化、中断处理、数据传输等。
通过独立的设备驱动模块，可以方便地支持不同的设备类型和硬件平台。
5. 安全性：微内核技术可以提供更好的系统安全性，通过模块化的设计，可以对不同的功能模块进行隔离，减少系统的攻击面。
同时，微内核还提供了权限管理和访问控制等安全机制，保护系统和用户数据的安全。
6. 可靠性和可扩展性：由于微内核设计将操作系统内核拆分为多个独立的模块，每个模块运行在用户空间，通过消息传递进行通信，模块之间的故障不会影响整个系统的稳定性。
同时，由于模块的独立性，可以方便地进行模块的添加、删除和替换，提高了系统的可扩展性。
微体系结构--CPU组织讲义(ppt 57页)
本节先介绍模型机的指令系统，然后假设模型机采用的是组合 逻辑控制器，讨论其时序系统、指令执行流程及微命令的产生与综 合。
组合逻辑控制器一旦制造后，逻辑电路之间的关系就固定了， 不易改动，所以组合逻辑控制器又称为硬连逻辑控制器。
11
3.4.1 模型机的指令系统 1．指令格式（16位）
（1）双操作数指令：其格式如下图所示
（2）暂存器
暂存器有3个：C、D、Z 。
（3）指令寄存器IR
指令寄存器IR用来存放当前正在执行的一条指令。
（4）与主存接口的寄存器MAR、MDR
CPU对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对主存的读操作；写信号WR
控制对主存的写操作。
3
2．运算部件
P99
ALU的输入A来自暂存器D，输入B来自ALU总线，运算结果输出 到Z 。控制ALU运算的控制信号有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、 NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它们分别控制ALU完成加、减、与、或、 异或、求负、求反等运算。
6
3.3.2 数据传送
P101
1．寄存器之间的数据传送
在模型机中，寄存器之间可直接通过ALU总线传送数 据，具体传送由输出门和打入脉冲控制。
例如 ：把寄存器R1的内容传送到寄存器R3，即实现传 送操作R1→R3所需控制信号为R1OUT、CPR3
7
2．主存数据传送到CPU（读）
主存与CPU之间通过系统总线传送数据。 例如：要从存储器中取指令到指令寄存器IR，通过以 下操作序列即可实现：
说明
0
0
0
0
1
进位C=0转
1
0
0
0
1
进位C=转
组合逻辑控制器一旦制造后，逻辑电路之间的关系就固定了， 不易改动，所以组合逻辑控制器又称为硬连逻辑控制器。
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3.4.1 模型机的指令系统 1．指令格式（16位）
（1）双操作数指令：其格式如下图所示
（2）暂存器
暂存器有3个：C、D、Z 。
（3）指令寄存器IR
指令寄存器IR用来存放当前正在执行的一条指令。
（4）与主存接口的寄存器MAR、MDR
CPU对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对主存的读操作；写信号WR
控制对主存的写操作。
3
2．运算部件
P99
ALU的输入A来自暂存器D，输入B来自ALU总线，运算结果输出 到Z 。控制ALU运算的控制信号有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、 NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它们分别控制ALU完成加、减、与、或、 异或、求负、求反等运算。
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3.3.2 数据传送
P101
1．寄存器之间的数据传送
在模型机中，寄存器之间可直接通过ALU总线传送数 据，具体传送由输出门和打入脉冲控制。
例如 ：把寄存器R1的内容传送到寄存器R3，即实现传 送操作R1→R3所需控制信号为R1OUT、CPR3
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2．主存数据传送到CPU（读）
主存与CPU之间通过系统总线传送数据。 例如：要从存储器中取指令到指令寄存器IR，通过以 下操作序列即可实现：
说明
0
0
0
0
1
进位C=0转
1
0
0
0
1
进位C=转
微内核技术
微内核技术
1.所谓微内核技术，是指精心设计的、能实现现在OS核心功能的小型内核，它与一把的OS不同，它更小更精炼，它不仅运行在和心态，而且开机后常驻内存，它不会因内存紧张而被换出内存。
微内核并非是一个完整的OS，而只是为构建通用OS 提供一个重要基础，由于在微内核OS结构中，通常都才用来客户/服务器模式，因此OS的大部分功能和服务，都是由若干服务器来提供的，如温家服务器、作业服务器和网络服务器等。
2.微内核的基本功能：微内核所提供的功能，通常都是一些最基本的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、低级I/O功能。
第3-4课时 操作系统架构及微内核结构
配置 文件
运行时所需的二进制文件 包括： 包括：.DB、 reginit.ini、 .DAT。 、 、
O E M 层 的 组 成
LOGO
WinCE5.0的系统架构 的系统架构
补充说明
OAL层硬件初始化和驱动中硬件操作的关系 层硬件初始化和驱动中硬件操作的关系
优点
减少进程间通信和 状态切换的系统开 销，获得较高的运 行效率。 行效率。
缺点
●内核庞大，占用资 内核庞大， 源较多且不易剪裁。 源较多且不易剪裁。 ●系统的稳定性和安 全性不好。 全性不好。
代表
UNIX
微内核
只实现基本功能， 只实现基本功能， 将图形系统、 将图形系统、文件 系统、 系统、设备驱动及 通信功能放在内核 之外。
●内核精练，便于 内核精练， 剪裁和移植。 剪裁和移植。 ●系统服务程序运 行在用户地址空间， 行在用户地址空间， 系统的稳定性和安 全性较高。 全性较高。
用户状态和内核状态 需要频繁切换， 需要频繁切换，从而 导致系统效率不如单 体内核。 体内核。
WinCE5.0
LOGO
WinCE5.0的系统架构 的系统架构
OEM适配层 适配层 (OAL)
(OEM adaptation layer)内核抽象出来的与硬件交互 内核抽象出来的与硬件交互 的接口；代码通常是与硬件高度相关； 的接口；代码通常是与硬件高度相关；负责内核与 硬件的通信。 硬件的通信。
LOGO
WinCE5.0的系统架构 的系统架构
5
应用层
应用层位于WinCE层次结构的最顶层。每个应用程 层次结构的最顶层。 应用层位于 层次结构的最顶层
序都是WinCE中的一个单独的进程。 中的一个单独的进程。 序都是 中的一个单独的进程 应用层主要包括以下模块： 应用层主要包括以下模块： 应用程序（ ●WinCE应用程序（文件编辑、图象查看等） 应用程序 文件编辑、图象查看等） 客户服务( 浏览器 浏览器) ●Internet客户服务(IE浏览器) 客户服务 ●用户接口（触摸、电池、语言等） 用户接口（触摸、电池、语言等） ●客户应用程序（第三方软件） 客户应用程序（第三方软件）
微内核操作系统19页PPT
45、自己的饭量自己知道。——苏联
微内核操作系统
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•
8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
•பைடு நூலகம்
9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
微内核操作系统
•
6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
•
7、心急吃不了热汤圆。
•
8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
•பைடு நூலகம்
9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
•
10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
微内核结构
的结构，使用相应的结构设计方法将系 统逐步地分解、抽象和综合，使操作系 统结构清晰、简单、可靠、易读、易修 改，而且使用方便，适应性强
14
几种常见的操作系统结构
简单结构 层次化结构 单（宏）内核结构 微内核 模块（Modules） 虚拟机
信息等
11
系统调用、API和C库
应用编程接口(API)其实是一组函数定义，这些函 数说明了如何获得一个给定的服务；而系统调用 是通过软中断向内核发出一个明确的请求，每个 系统调用对应一个封装例程（wrapper routine，唯 一目的就是发布系统调用）。一些API应用了封 装例程。
API还包含各种编程接口，如：C库函数、 OpenGL编程接口等
9
为什么需要系统调用
系统调用是内核向用户进程提供服务的 唯一方法，应用程序调用操作系统提供 的功能模块（函数）。
用户程序通过系统调用从用户态（user mode）切换到核心态（kernel mode）， 从而可以访问相应的资源。这样做的好 处是：
为用户空间提供了一种硬件的抽象接口， 使编程更加容易。
出错检测 – 通过探测在CPU与内存硬件中， 在I/O设备中，或在用户程序中的错误，确保 正确运算
资源分配- 把资源分配给多个用户或多个同时 运行的作业
计帐- 跟踪和记录用户对资源的使用，用于帐 单和统计
保护 - 确保对资源的所有访问均在控制中
4
操作系统的用户界面（接口）
操作系统与用户接口 命令接口Command Interface 程序接口Program Interface （系统调用）
系统调用的实现是在内核完成的，而用户态的函 数是在函数库中实现的
调用printf() 应用程序
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几种常见的操作系统结构
简单结构 层次化结构 单（宏）内核结构 微内核 模块（Modules） 虚拟机
信息等
11
系统调用、API和C库
应用编程接口(API)其实是一组函数定义，这些函 数说明了如何获得一个给定的服务；而系统调用 是通过软中断向内核发出一个明确的请求，每个 系统调用对应一个封装例程（wrapper routine，唯 一目的就是发布系统调用）。一些API应用了封 装例程。
API还包含各种编程接口，如：C库函数、 OpenGL编程接口等
9
为什么需要系统调用
系统调用是内核向用户进程提供服务的 唯一方法，应用程序调用操作系统提供 的功能模块（函数）。
用户程序通过系统调用从用户态（user mode）切换到核心态（kernel mode）， 从而可以访问相应的资源。这样做的好 处是：
为用户空间提供了一种硬件的抽象接口， 使编程更加容易。
出错检测 – 通过探测在CPU与内存硬件中， 在I/O设备中，或在用户程序中的错误，确保 正确运算
资源分配- 把资源分配给多个用户或多个同时 运行的作业
计帐- 跟踪和记录用户对资源的使用，用于帐 单和统计
保护 - 确保对资源的所有访问均在控制中
4
操作系统的用户界面（接口）
操作系统与用户接口 命令接口Command Interface 程序接口Program Interface （系统调用）
系统调用的实现是在内核完成的，而用户态的函 数是在函数库中实现的
调用printf() 应用程序
微电子技术绪论PPT课件
光刻技术的分辨率、对比度、均匀度等对微电子器件的 性能有着重要影响，需要精确控制和优化。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
1 2 3
晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
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晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
微机原理第七章基于ARM内核的微处理器芯片介绍幻灯片PPT
i.MX21集成了NAND Flash控制器接口，设计者可以 选用廉价的NAND Flash器件作为系统的非易失存储器
通过i.MX21内部集成的PCMCIA/CF，USB和 MMC/SD等接口，可以进行WLAN和蓝牙等多种功能 的扩展
9
林水生2010
电子科技大学
微型计算系统原理及接口技术
通信与信息工程学院
电子科技大学
通信与信息工程学院
微型计算系统原理及接口技术
ARM926EJ-S 系统控制协处理器CP15
系统控制协处理器(CP15)用于配置和控制ARM926EJ-S处理 器。
缓存、紧耦合存储器、存储器管理单元以及大部分其他系统选 项都由CP15寄存器控制。
用户只能在特权模式下使用MRC和MCR指令来访问CP15寄 存器。
林水生2010
电子科技大学
微型计算系统原理及接口技术
通信与信息工程学院
7.1 ARM926EJ-S处理器内核
ARM9系列的通用可综合宏单元处理器内核 采用v5TEJ的ARM指令集体系结构
ARM9EJ-S整型内 核
存储器管理单元 (MMU)
独立的指令和数据 AMBA AHB总线接 口
独立的指令和数据 紧耦合存储器(TCM) 接口
i.MXS，i.MXL，i.MX1，i.MX21，i.MX27，i.MX31， i.MX35，i.MX37和i.MX51。
该系列微处理器主要应用于智能手机、便携式多媒体播 放器、便携式导航设备、视频监控、销售终端机系统和 条码扫描仪等消费类、工业、健康等领域的产品。
除i.MX系列微处理器以外，飞思卡尔公司还有少数其他 产品也采用了ARM内核，例如适用于便携式多媒体播放 器和导航设备的STMP37XX系列产品。
通过i.MX21内部集成的PCMCIA/CF，USB和 MMC/SD等接口，可以进行WLAN和蓝牙等多种功能 的扩展
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林水生2010
电子科技大学
微型计算系统原理及接口技术
通信与信息工程学院
电子科技大学
通信与信息工程学院
微型计算系统原理及接口技术
ARM926EJ-S 系统控制协处理器CP15
系统控制协处理器(CP15)用于配置和控制ARM926EJ-S处理 器。
缓存、紧耦合存储器、存储器管理单元以及大部分其他系统选 项都由CP15寄存器控制。
用户只能在特权模式下使用MRC和MCR指令来访问CP15寄 存器。
林水生2010
电子科技大学
微型计算系统原理及接口技术
通信与信息工程学院
7.1 ARM926EJ-S处理器内核
ARM9系列的通用可综合宏单元处理器内核 采用v5TEJ的ARM指令集体系结构
ARM9EJ-S整型内 核
存储器管理单元 (MMU)
独立的指令和数据 AMBA AHB总线接 口
独立的指令和数据 紧耦合存储器(TCM) 接口
i.MXS，i.MXL，i.MX1，i.MX21，i.MX27，i.MX31， i.MX35，i.MX37和i.MX51。
该系列微处理器主要应用于智能手机、便携式多媒体播 放器、便携式导航设备、视频监控、销售终端机系统和 条码扫描仪等消费类、工业、健康等领域的产品。
除i.MX系列微处理器以外，飞思卡尔公司还有少数其他 产品也采用了ARM内核，例如适用于便携式多媒体播放 器和导航设备的STMP37XX系列产品。
微内核
微内核将许多OS服务放入分离的进程，如文件系统，设备驱动程序，而进程通过消息传递调用OS服务.微内 核结构必然是多线程的，第一代微内核，在内核提供了较多的服务，因此被称为'胖微内核'，它的典型代表是 MACH，它既是GNU HURD也是APPLE SERVER OS的内核，可以说，蒸蒸日上.第二代微内核只提供最基本的OS服务， 典型的OS是QNX,QNX在理论界很有名，被认为是一种先进的OS.
优势
能够使得不同的API，文件系统，甚至不同的操作系统的特性在一个系统中共存。 系统非常灵活。当运行一个应用程序时，只需把选定的系统服务加载到系统中即可。而修改了服务以后可以 通过联机进行测试；并不需要重新构建或者启动一个新的内核，他们并不影响系统的运行。 系统服务或者设备驱动故障和与它们有关的运行任务是隔绝的。 依存关系的服务器系统可以加以限制，使为安全重要至关信赖的计算基数的应用可被削减。 这种由微内核所决定的结构（IPC，多线程）能够应用在所有的应用程序和服务上。一个精炼的微内核接口 能够有演绎成更多模块的系统结构。
微内核
提供操作系统核心功能的内核的精简版本
பைடு நூலகம்
01 简介
03 结构 05 其他信息
目录
02 优势 04 操作系统 06 例子
微内核（Micro kernel）是提供操作系统核心功能的内核的精简版本，它设计成在很小的内存空间内增加移 植性，提供模块化设计，以使用户安装不同的接口，如DOS、Workplace OS、Workplace UNIX等。IBM、 Microsoft、开放软件基金会(OSF)和UNIX系统实验室(USL)、鸿蒙OS等新操作系统都采用了这一研究成果的优点。
例子
AIX BeOS L4微内核系列 Mach，用于GNU Hurd和Mac OS X Minix MorphOS QNX AliOS Things RadiOS VSTa RT-Thread
优势
能够使得不同的API，文件系统，甚至不同的操作系统的特性在一个系统中共存。 系统非常灵活。当运行一个应用程序时，只需把选定的系统服务加载到系统中即可。而修改了服务以后可以 通过联机进行测试；并不需要重新构建或者启动一个新的内核，他们并不影响系统的运行。 系统服务或者设备驱动故障和与它们有关的运行任务是隔绝的。 依存关系的服务器系统可以加以限制，使为安全重要至关信赖的计算基数的应用可被削减。 这种由微内核所决定的结构（IPC，多线程）能够应用在所有的应用程序和服务上。一个精炼的微内核接口 能够有演绎成更多模块的系统结构。
微内核
提供操作系统核心功能的内核的精简版本
பைடு நூலகம்
01 简介
03 结构 05 其他信息
目录
02 优势 04 操作系统 06 例子
微内核（Micro kernel）是提供操作系统核心功能的内核的精简版本，它设计成在很小的内存空间内增加移 植性，提供模块化设计，以使用户安装不同的接口，如DOS、Workplace OS、Workplace UNIX等。IBM、 Microsoft、开放软件基金会(OSF)和UNIX系统实验室(USL)、鸿蒙OS等新操作系统都采用了这一研究成果的优点。
例子
AIX BeOS L4微内核系列 Mach，用于GNU Hurd和Mac OS X Minix MorphOS QNX AliOS Things RadiOS VSTa RT-Thread
操作系统内核PPT课件
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微内核特点
• 充分的模块化，可独立更换任一模块而不会影响其他模块，从而方便第三方开发、设计模块。 • 未被使用的模块功能不必运行，因而能大幅度减少系统的内存需求。 • 具有很高的可移植性，理论上讲只需要单独对各微内核部分进行移植修改即可。由于微内核的体积通常很
小，而且互不影响，因此工作量很小。
• 单内核模型以提高系统执行效率为设计理念，因为整个系统是一个统一的内核，所 以其内部调用效率很高。
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单内核特点
• 单内核的缺点也正是由于其源代码是一个整体而造成的， 通常各模块之间的界限并不特别清晰，模块间的调用比 较随意，所以进行系统修改或升级时，往往“牵一发而 动全身”，导致工作量加大，使其难于维护。
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感谢您的观看！
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什么是微内核
• 微内核是指把操作系统结构中的内存管理、设备管理、文件系统等高级服务功能尽可能地从内核中分离出 来，变成几个独立的非内核模块，而在内核只保留少量最基本的功能，使内核变得简洁可靠，因此叫微内 核。
• 微内核实现的基础是操作系统理论层面的逻辑功能划分。几大功能模块在理论上是相互独立的，形成比较 明显的界限。
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内核
• 严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。程序可以直接地被调入计算机 中执行，这样的设计说明了设计者不希望提供任何硬件抽象和操作系统的支持，它常 见于早期计算机系统的设计中。最终，一些辅助性程序，例如程序加载器和调试器， 被设计到机器核心当中，或者固化在只读存储器里。这些变化发生时，操作系统内核 的概念就渐渐明晰起来了。
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单内核与微内核的比较
微内核特点
• 充分的模块化，可独立更换任一模块而不会影响其他模块，从而方便第三方开发、设计模块。 • 未被使用的模块功能不必运行，因而能大幅度减少系统的内存需求。 • 具有很高的可移植性，理论上讲只需要单独对各微内核部分进行移植修改即可。由于微内核的体积通常很
小，而且互不影响，因此工作量很小。
• 单内核模型以提高系统执行效率为设计理念，因为整个系统是一个统一的内核，所 以其内部调用效率很高。
第9页/共15页
单内核特点
• 单内核的缺点也正是由于其源代码是一个整体而造成的， 通常各模块之间的界限并不特别清晰，模块间的调用比 较随意，所以进行系统修改或升级时，往往“牵一发而 动全身”，导致工作量加大，使其难于维护。
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第10页/共15页
什么是微内核
• 微内核是指把操作系统结构中的内存管理、设备管理、文件系统等高级服务功能尽可能地从内核中分离出 来，变成几个独立的非内核模块，而在内核只保留少量最基本的功能，使内核变得简洁可靠，因此叫微内 核。
• 微内核实现的基础是操作系统理论层面的逻辑功能划分。几大功能模块在理论上是相互独立的，形成比较 明显的界限。
第4页/共15页
内核
• 严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分。程序可以直接地被调入计算机 中执行，这样的设计说明了设计者不希望提供任何硬件抽象和操作系统的支持，它常 见于早期计算机系统的设计中。最终，一些辅助性程序，例如程序加载器和调试器， 被设计到机器核心当中，或者固化在只读存储器里。这些变化发生时，操作系统内核 的概念就渐渐明晰起来了。
第12页/共15页
单内核与微内核的比较
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2.地址空间
以段为单位组成，但段数量与长度可以动态增加。段的 属性有：段长、线程对其访问权限、能否动态（向上/向下） 增加。
虚拟地址空间描述
对象表
可用对象
第二章 微内核技术
3.创建进程
选择目标机器
Copy-on-write方式：
创建进程执行环境
创建初始线程
共享页
共享页
进程A
进程B 写之前
进程A
写之后
用户态下运行。实现如淘汰算法、管理磁盘空间与内存 空间，解决策略性问题。
第二章 微内核技术
2.存储对象 即段，由于采用段页式管理，为页的有序集合。 用户可以通过文件管理进程的通信端口写入消息提出
对存储对象的操作要求。如： 分配：分配一段虚拟地址空间 释放：释放一段虚拟地址空间 映射：将别的内容映射到存储对象上 复制：将存储对象的内容复制到另一个存储对象上 置保护：对存储对象置保护信息（可以以页为单位） 读：读取另一个进程的存储对象内容 写：向另一个进程的存储对象写入内容 等等。
务 置描述表 挂起 重新开始 报警线程 检测线程警报 寄存器终止端口
取得描述表
第二章 微内核技术
2.线程调度 所谓线程调度，就是确定在何时、给何线程赋予
CPU，运行多长时间。由系统核心进行。 ● 线程的状态 运行态 阻塞态 就绪态 ● 线程的优先数 以基本优先数为基础，可以浮动。
第二章 微内核技术
第二章 微内核技术
2.端口的管理 分配。创建一个端口，将其访问权限插入相应的进程权
限表中。 撤消。删除一个端口，并从相应权限表中撤销表项。 去分配。从权限表中撤销相应的权限表项。 收回授权。从其它进程权限表中撤销某个表项。 修改端口集。在端口集中增加或减少端口。 置消息数目。确定端口可以拥有消息的最大数目，通常
核心
第二章 微内核技术
进
属
性
进程id
I/O计数器
存取令牌
VM操作计数器
基本优先级 退出状态
缺省处理器族
配额限制
执行时间
异常情况/调试端口
程
服
务
创建进程
读/写虚拟内存
打开进程
保护虚拟内存
查进程信息
锁定/解锁虚拟内存
置进程信息
查询虚拟内存
当前进程
刷新虚拟内存
终止进程
分配/释放虚拟内存
第二章 微内核技术
由拥有接收权的进程确定。创建端口时缺省值为5。
第二章 微内核技术
3. 发送与接收 ● 消息格式
消息类型 消息长度 消息种类 说明1 数据域1 说明2 数据域2
…
回答权限 目标权限 目的地端口表 应答端口表 功能码第二章 微内核技术来自4. 消息的接收与发送
对照表 4 21
对照表 7 21
计算机A
进程S ①
数据信道。 支持顺序传送的法则，同一线程的消息先来先送，但不
保证多个线程消息的时间顺序。
第二章 微内核技术
绝大部分归进程所有，线程可以被授权使用。 线程只拥有与核心通信的特殊端口。 同一段口可有多个进程拥有发送权（一次或多次），但 任一时刻最多只有一个进程拥有接收权。拥有发送权的进程 可以向其他进程转让发送权。 多个端口可以组成端口集，以便对多个端口实施组播 （收）操作。 端口数据结构包括：消息队列、当前消息、消息数量、 所属的端口集、拥有转让访问权的进程数、发出错报告的端 口名、端口上阻塞的线程队列、拥有接收权的进程、指向核 心对象的指针，等等。
第二章 微内核技术
3. 存储共享 ● 几个进程处于同一处理机的情形 ⑴ 充分共享 通过将各自的虚拟地址都映射到同一个物理地址，
实现共享物理存储。
进程1
物理存储
进程2
第二章 微内核技术
⑵ 父子进程共享 父进程为子进程复制一个存储区。为了解决大 量的只读数据区（或主要是读）可以节省内存，通 常建议采用copy-on-write方法。 ● 多机情形 ⑴ 外部存储管理器 用来处理存储语义问题，确定其页面离开内存 后存放在何处、存储对象去除映射后的处理规则等。 为了将一个对象映射到进程的地址空间，需要 三个端口。
● 一个仅仅用来实现初始化的可执行程序 ● 一个专用地址空间，定义了进程可以使用的虚拟地 址集合 ● 一组系统资源，包括信号量、通信端口、文件等， 由操作系统分配给进程 ● 若干执行线程
第二章 微内核技术
地址空间 线程
进程
进程 端口
例外 端口
寄存器 端口
初始 端口
其它： 挂起指针 调度参数 仿真地址 统计部件
线程存在于进程的地址空间中，使用进程的地址空间 进行工作。
在面向对象的系统中，线程也是一个对象。
第二章 微内核技术
Windows-NT中的线程对象
线
属 线程ID 线程描述表 动态优先级 基本优先级 线程处理器族 线程退出状态
性 线程执行时间 报警状态 挂起计数 模仿令牌 终止端口
程
服 创建线程 打开线程 查询线程信息 置线程信息 当前线程 终止线程
进程B
第二章 微内核技术
§2 线程
1.线程概念 线程是系统中的活动实体，任何线程属于、且仅属于
一个进程，同一个进程中的线程可以并行执行。一个处 理器上可以有多个进程，但一个时间瞬间只能执行一个 线程。从而将并行引入进程内部。
同一个进程中的线程共享进程的地址空间和所有资源。 但是，线程也有自己的专用资源，如线程端口。
创建并初始化线程
终止
完成初始化
就绪 抢先
执行 结束
事件未 发生
等待
事件发生
资源不可用
转化
资源 变为 可用
抢先或 时间片到
运行
切换描述表
调度 备用
第二章 微内核技术
§3 端口
计算机系统中各部分实现通信的方式： 利用公共存储区交换数据 利用消息传送交换数据
1. 端口对象 一类受保护的信箱，是核心中的数据结构，属于单向的
第二章 微内核技术
目标：
为构造其它操作系统提供通用的基础 支持大容量、稀疏的地址空间 实现网络资源透明性 在系统和应用集上拓展并行性 实现高度的可移植性
为此，尽可能地将代码由低层移向高层，由核 心移向进程，由系统态移向用户态。
第二章 微内核技术
§1 进程
进程不再是系统中独立的可执行单位和资源调度单位。 进程只代表了一个资源集合以及它可以提供的服务集合， 通过其内含的线程的执行来提供服务，只是一个分配资 源的单位。 1.进程组成
网络消息服务器 ②
计算机B
网络消息服务器 ④
进程R ⑤
③
网络
第二章 微内核技术
§4 存储对象
1.存储管理的组成 ● 页面映射部分 管理MMU，在核心中运行，实现地址映射并捕捉
缺页中断。 ● 缺页处理部分 管理地址映射表，处理内外存交换，在核心中运
行。 ● 存储管理部分 又称外部存储对象管理器，通常组织为进程，在
以段为单位组成，但段数量与长度可以动态增加。段的 属性有：段长、线程对其访问权限、能否动态（向上/向下） 增加。
虚拟地址空间描述
对象表
可用对象
第二章 微内核技术
3.创建进程
选择目标机器
Copy-on-write方式：
创建进程执行环境
创建初始线程
共享页
共享页
进程A
进程B 写之前
进程A
写之后
用户态下运行。实现如淘汰算法、管理磁盘空间与内存 空间，解决策略性问题。
第二章 微内核技术
2.存储对象 即段，由于采用段页式管理，为页的有序集合。 用户可以通过文件管理进程的通信端口写入消息提出
对存储对象的操作要求。如： 分配：分配一段虚拟地址空间 释放：释放一段虚拟地址空间 映射：将别的内容映射到存储对象上 复制：将存储对象的内容复制到另一个存储对象上 置保护：对存储对象置保护信息（可以以页为单位） 读：读取另一个进程的存储对象内容 写：向另一个进程的存储对象写入内容 等等。
务 置描述表 挂起 重新开始 报警线程 检测线程警报 寄存器终止端口
取得描述表
第二章 微内核技术
2.线程调度 所谓线程调度，就是确定在何时、给何线程赋予
CPU，运行多长时间。由系统核心进行。 ● 线程的状态 运行态 阻塞态 就绪态 ● 线程的优先数 以基本优先数为基础，可以浮动。
第二章 微内核技术
第二章 微内核技术
2.端口的管理 分配。创建一个端口，将其访问权限插入相应的进程权
限表中。 撤消。删除一个端口，并从相应权限表中撤销表项。 去分配。从权限表中撤销相应的权限表项。 收回授权。从其它进程权限表中撤销某个表项。 修改端口集。在端口集中增加或减少端口。 置消息数目。确定端口可以拥有消息的最大数目，通常
核心
第二章 微内核技术
进
属
性
进程id
I/O计数器
存取令牌
VM操作计数器
基本优先级 退出状态
缺省处理器族
配额限制
执行时间
异常情况/调试端口
程
服
务
创建进程
读/写虚拟内存
打开进程
保护虚拟内存
查进程信息
锁定/解锁虚拟内存
置进程信息
查询虚拟内存
当前进程
刷新虚拟内存
终止进程
分配/释放虚拟内存
第二章 微内核技术
由拥有接收权的进程确定。创建端口时缺省值为5。
第二章 微内核技术
3. 发送与接收 ● 消息格式
消息类型 消息长度 消息种类 说明1 数据域1 说明2 数据域2
…
回答权限 目标权限 目的地端口表 应答端口表 功能码第二章 微内核技术来自4. 消息的接收与发送
对照表 4 21
对照表 7 21
计算机A
进程S ①
数据信道。 支持顺序传送的法则，同一线程的消息先来先送，但不
保证多个线程消息的时间顺序。
第二章 微内核技术
绝大部分归进程所有，线程可以被授权使用。 线程只拥有与核心通信的特殊端口。 同一段口可有多个进程拥有发送权（一次或多次），但 任一时刻最多只有一个进程拥有接收权。拥有发送权的进程 可以向其他进程转让发送权。 多个端口可以组成端口集，以便对多个端口实施组播 （收）操作。 端口数据结构包括：消息队列、当前消息、消息数量、 所属的端口集、拥有转让访问权的进程数、发出错报告的端 口名、端口上阻塞的线程队列、拥有接收权的进程、指向核 心对象的指针，等等。
第二章 微内核技术
3. 存储共享 ● 几个进程处于同一处理机的情形 ⑴ 充分共享 通过将各自的虚拟地址都映射到同一个物理地址，
实现共享物理存储。
进程1
物理存储
进程2
第二章 微内核技术
⑵ 父子进程共享 父进程为子进程复制一个存储区。为了解决大 量的只读数据区（或主要是读）可以节省内存，通 常建议采用copy-on-write方法。 ● 多机情形 ⑴ 外部存储管理器 用来处理存储语义问题，确定其页面离开内存 后存放在何处、存储对象去除映射后的处理规则等。 为了将一个对象映射到进程的地址空间，需要 三个端口。
● 一个仅仅用来实现初始化的可执行程序 ● 一个专用地址空间，定义了进程可以使用的虚拟地 址集合 ● 一组系统资源，包括信号量、通信端口、文件等， 由操作系统分配给进程 ● 若干执行线程
第二章 微内核技术
地址空间 线程
进程
进程 端口
例外 端口
寄存器 端口
初始 端口
其它： 挂起指针 调度参数 仿真地址 统计部件
线程存在于进程的地址空间中，使用进程的地址空间 进行工作。
在面向对象的系统中，线程也是一个对象。
第二章 微内核技术
Windows-NT中的线程对象
线
属 线程ID 线程描述表 动态优先级 基本优先级 线程处理器族 线程退出状态
性 线程执行时间 报警状态 挂起计数 模仿令牌 终止端口
程
服 创建线程 打开线程 查询线程信息 置线程信息 当前线程 终止线程
进程B
第二章 微内核技术
§2 线程
1.线程概念 线程是系统中的活动实体，任何线程属于、且仅属于
一个进程，同一个进程中的线程可以并行执行。一个处 理器上可以有多个进程，但一个时间瞬间只能执行一个 线程。从而将并行引入进程内部。
同一个进程中的线程共享进程的地址空间和所有资源。 但是，线程也有自己的专用资源，如线程端口。
创建并初始化线程
终止
完成初始化
就绪 抢先
执行 结束
事件未 发生
等待
事件发生
资源不可用
转化
资源 变为 可用
抢先或 时间片到
运行
切换描述表
调度 备用
第二章 微内核技术
§3 端口
计算机系统中各部分实现通信的方式： 利用公共存储区交换数据 利用消息传送交换数据
1. 端口对象 一类受保护的信箱，是核心中的数据结构，属于单向的
第二章 微内核技术
目标：
为构造其它操作系统提供通用的基础 支持大容量、稀疏的地址空间 实现网络资源透明性 在系统和应用集上拓展并行性 实现高度的可移植性
为此，尽可能地将代码由低层移向高层，由核 心移向进程，由系统态移向用户态。
第二章 微内核技术
§1 进程
进程不再是系统中独立的可执行单位和资源调度单位。 进程只代表了一个资源集合以及它可以提供的服务集合， 通过其内含的线程的执行来提供服务，只是一个分配资 源的单位。 1.进程组成
网络消息服务器 ②
计算机B
网络消息服务器 ④
进程R ⑤
③
网络
第二章 微内核技术
§4 存储对象
1.存储管理的组成 ● 页面映射部分 管理MMU，在核心中运行，实现地址映射并捕捉
缺页中断。 ● 缺页处理部分 管理地址映射表，处理内外存交换，在核心中运
行。 ● 存储管理部分 又称外部存储对象管理器，通常组织为进程，在