操作系统原理（IV）—运行机制

前言

程序是怎么运行的，其主要包含以下阶段

阶段	描述
编写代码	开发者使用编程语言编写源代码。
编译代码	编译器将源代码转换为机器代码或中间代码。
链接	链接器将目标文件和库文件合并为可执行文件。
加载到内存	操作系统将可执行文件加载到内存中。
执行程序	CPU 逐条执行指令，运行时环境提供支持（如 CLR、JVM）。

实际就是CPU一条一条指令执行的过程。 

一、内核程序VS应用程序

特性	内核程序（Kernel）	应用程序（Application）
定义	操作系统的核心部分，管理硬件和提供基础服务。	运行在操作系统之上的软件，完成特定任务。
权限	高权限（内核模式），可直接访问硬件。	低权限（用户模式），需通过系统调用访问硬件。
功能	硬件管理、进程调度、内存管理、文件系统等。	完成用户任务，如文档编辑、网页浏览等。
稳定性要求	高，崩溃会导致系统崩溃。	较低，崩溃通常不会影响系统。
性能要求	高效，影响整个系统的性能。	视具体应用而定，通常不如内核严格。
运行环境	内核模式，常驻内存。	用户模式，依赖操作系统。
与硬件的关系	直接管理硬件，与硬件架构相关。	通过操作系统间接访问硬件，与硬件无关。

普通程序员编写的为“应用程序”，比如浏览器（如 Chrome、Firefox）、QQ这类；类似微软、苹果这类负责操作系统的实现，写的是“内核程序”，比如设备驱动程序（如显卡驱动、网卡驱动）。 

1. 应用程序运行在操作系统之上，完成用户任务，运行在用户模式；
2. 内核程序操作系统的核心，管理硬件和提供基础服务，运行在内核模式=》负责管理电脑的所有硬件（比如 CPU、内存、硬盘、键盘、鼠标等），并且为其他程序提供服务。

其中，由于内核程序是“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，比如“内存清零”这些比较重要的指令，这些指令影响重大，只能由“管理者”进行操作。

因此，应用程序只能使用“非特权指令”（进行加减乘除），内核程序使用“特权指令”。（CPU在设计的时候已经被划分了特权指令和非特权指令），

-》那么CPU如何区分应用程序和内核程序的指令呢？

这里需要引进CPU的两种状态内核态（核心态/管态）和用户态（目态）：

当处于内核态的时候，说明此时运行的是内核程序，此时可以执行特权指令；反之，执行非特权指令。

-》如何判断CPU处于哪种状态（内核态/用户态）？

在CPU中有一个程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，“1”表示处于“内核态”，“0”表示“用户态”

-》CPU如何实现两种状态的切换？=》修改PSW标志位

1.电脑开机的时候，CPU处于“内核态”，内核程序先在CPU上运行

2.进入电脑的时候，我点开了QQ（应用程序）

3.此时，操作系统内核程序在合适时让出CPU给QQ（利用特权指令修改PSW标志位改为用户态）,让QQ在CPU运行

4.此时，处于用户态

假设电脑此时被入侵，QQ被植入特权指令， 但由于此时处于“用户态”，按道理这个指令不能出现，所以此时就会引发中断信号，转换为“核心态”====》操作系统夺回CPU使用权，对异常事件进行处理，处理结束之后在把CPU使用权交给应用程序。

如此，便完成了两种状态的切换。