OS的运行机制、体系结构、中断

 操作系统的运行机制和体系结构

一、操作系统的运行机制

​        操作系统需要两种CPU状态：内核态（Kernel Mode）和用户态（User Mode），内核态用于运行操作系统程序，用户态用于运行用户程序。CPU的两个状态可以执行不同的指令集合，所以可以指令集合划分为两类：特权（privilege）指令和非特权指令，特权指令是指只能有操作系统程序使用，用户程序不能使用的指令，非特权指令是指操作系统程序和用户程序都可以使用的指令。

1、指令： 能被计算机识别和执行的命令，一条C程序代码被翻译成多条指令

2、两种指令类型：

• 特权指令： 具有很高的权限，比如删除指令等
• 非特权指令： 一般权限，比如加减乘除等指令

3、两种状态： CPU判断什么时候执行特权指令什么时候执行非特权指令，用状态字寄存器（PSW）中的标识符标识状态0和1标识

• 核心态（管态）： 特权指令和非特权指令都能执行（trap指令除外只在用户态下执行）
• 用户态（目态）： 执行非特权指令

4、两种程序：

• 内核程序： 系统的管理者，运行在核心态
• 应用程序： 运行在用户态

二、操作系统的内核

1、操作系统内核： 操作系统中最接近硬件的层次
2、内核包括：
最接近硬件的：

•     时钟管理： 提供计算机的计时功能
•     中断处理
•     原语： 一种特殊的程序，例如设备驱动程序，原语的执行具有原子性

铺设在最接近硬件之上的

•     对系统资源进行管理的功能：设备管理、进程管理、存储器管理

三、操作系统体系结构

1、体系结构： 并不是所有操作系统对内核的 划分都是一样的，有的将最接近硬件的和铺设在之上的划分到内核中，而有的只划分最接近硬件的内容到内核
2、操作系统体系结构分类：
      大内核：将时钟管理、中断处理、原语和设备管理、进程管理、存储器 管理都划分到内核中（将操作系统的主要功能都作为系统内核，运行在核心态）

•     优点：高性能
•     缺点：内核代码庞大，结构混乱，不容易维护

      微内核：只将时钟管理、中断处理、原语划分到内核（只把最基本的功能保留到系统内核，运行在核心态）

•     优点：结构清晰、维护方便
•     缺点：核心态和用户态切换频繁，性能低

中断与异常机制

   中断与异常是CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应。事件的发生改变了CPU的控制流，CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序。

       中断的引入是为了支持CPU和设备之间的并行操作，异常的引入是为了表示CPU执行指令时本身出现的问题。中断包括I/O中断、时钟中断、硬件故障。异常包括系统调用、页故障/页错误、保护性异常、断点异常、其他程序性异常。