操作系统的运行机制和体系结构

1、什么是指令

简单来说，指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令，比如：加法指令就是让CPU进行加法运算。

2、两种指令、两种处理器状态、两种程序

（1）两种指令

① 特权指令

如内存清零指令，不允许用户程序使用

② 非特权指令

如普通的运算指令

（2）两种处理器状态

① 用户态

此时CPU只能执行非特权指令

② 核心态

特权指令、非特权指令都可以执行

用程序状态字寄存器中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。

（3）两种程序

① 内核程序

操作系统的内核程序时系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

② 应用程序

为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

2.操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

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内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。

实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

（1）与硬件关联较紧密的模块

① 时钟管理

实现计时功能

② 中断处理

负责实现中断功能

③ 原语

是一种特殊的程序
出于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
这种程序的运行具有原子性，其运行只能一气呵成，不可中断
运行时间较短、调用频繁
（2）对系统资源进行管理的功能
进程管理
存储器管理
设备管理
有的操作系统不把这部分功能归为“内核功能”，也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

3.操作系统的体系结构可以分为大内核和微内核。

（1）大内核：

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优点：高性能
缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

（2）微内核：

只把最基本的功能保留在内核。
优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能

4.中断和异常

1、中断的概念和作用

当中断发生时，CPU立即进入核心态
当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
对于不同的中断信号，会进行不同的处理
发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配IO设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态切为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

用户态和核心态的切换是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。

2、中断的分类

（1）内中断

信号来源：CPU内部

① 陷阱

有意而为之的异常，如系统调用

② 故障

由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页。

③ 终止

不可恢复的错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0。

（2）外中断

信号来源：CPU外部

① IO中断请求

② 人工干预

3、外中断的处理过程

执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态子PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

5.系统调用

1、什么是系统调用

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

2、系统调用作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务，服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、IO操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

3、系统调用的分类

设备管理（完成设备的请求、释放、启动等功能）
文件管理（完成文件的读写、创建、删除等功能）
进程控制（完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能）
进程通信（完成进程之间的消息传递、信号传递等功能）
内存管理（完成内存的分配、回收等功能）
系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理，对进程的控制，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

4、系统调用的过程简介

传递系统调用参数 -> 执行陷入指令（用户态） -> 执行系统调用相应服务程序（核心态） -> 返回用户程序。

小总结：
陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态
发出系统调用请求的是用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令