操作系统~用户态进入内核态的方式(中断、异常、系统调用)

中断与异常

中断的概念和作用

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
2. 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
3. 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i/o设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。
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。

遗留问题:用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?
答:“用户态→核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
“核心态→用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字(PSW)的标志位设置为“用户态”

中断的分类

• 中断分为内中断和外中断, 核心区别就是这个中断信号的来源, 内中断是本CPU运行这段代码段锁发出的, 外中断是其他CPU执行代码段发来的, 也就是与当前CPU执行的指令无关.
  

中断的处理过程

• Step 1:执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
• Step 2: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（如程序状态字PSw、程序计数器PC、各种通用寄存器)
• Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序(进入内核态)
• Step 4: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
  

总结

系统调用

什么是系统调用

• 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。
• 主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
  
  “系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）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。

功能分类

• 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。
• 系统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、I/O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。
• 而每一个系统调用背后的功能都涉及到对应的资源管理和进程控制, 这些指令都是一些特权指令, 所以需要进行用户态到内核态的改变
• 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。
• 如果按功能分配分为如下几种
  

如何实现系统调用

• 我们使用的高级语言对大多数的系统调用进行了封装变成库函数, 所以当我们在执行高级语言的时候都需要进行操作系统的编译成为汇编语言指令.
• 汇编语言就是一条条指令, 一开始执行的时候还是在用户态下, 但是一旦涉及到系统调用的接口, 就会发生上下文切换进入内核态执行系统调用相关的代码
  
  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

注意:
1.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
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3.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

总结