操作系统【操作系统引论】（下）

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前言

承接上次发布的操作系统引论（上）

一、操作系统的运行机制与体系结构

1.指令

指令和“代码”有什么区别？
C语言代码通过“翻译”成为机器语言指令（一条高级语言代码翻译过来可能会对应多条指令）。
简单来说“指令”就是CPU能识别，执行的最基本的命令。比如加法指令就是让CPU进行加法运算。
指令分为：
（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.处理机状态和程序

两种处理机状态：
（1）用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令。
（2）核心态（管态）：特权指令，非特权指令都可执行。
计算机中用程序状态寄存器（psw）中某标志位来标识当前CPU处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。
两种程序：
（1）内核程序：操作系统内核程序是系统的管理者，既可执行特权指令也可执行非特权指令（在核心态下运行）
（2）应用程序：为保证系统可以安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令（在用户态下运行）

3.操作系统内核

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统中最基本，最核心的部分。
内核可分为两部分：
（1）进程管理，存储器管理，设备管理等功能（对系统资源进行管理）
（2）时钟管理（实现计时功能），中断处理（负责实现中断机制），原语（设备驱动，CPU切换等）
原语是一种特殊的的程序，是最接近硬件的部分，这种程序运行具有原子性（其运行只能一气呵成，不可中断），其运行时间短，调用频繁。
这种体系结构被称作大内核体系，如不包含对系统资源管理这一方面则被称作微内核体系。
大内核：
将操作系统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
微内核：
只把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：需频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

二、中断和异常

1.中断过程

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

2.中断的本质

本质：发生中断就意味着需要操作系统的介入，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的并发执行。
问：用户态和核心态之间的切换是怎么实现的？
答：“用户态”——>“核心态”是通过中断来实现的，且中断是唯一途径。
“核心态”——>“用户态”切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（psw）的状态标志位设置为“用户态”。

3.中断的分类

中断（广义）：
1.内中断（也称为异常，例外，陷入）——>中断信号来源：CPU内部（与当前执行的指令有关）：
（1）自愿中断（指令中断）：如系统调用中的访管指令（又叫陷入指令，trap指令）
（2）强迫中断：
1>硬件故障：如缺页
2>软件故障：如整数除以0（非法操作）
2.外中断（狭义的中断）——>中断信号来源：CPU外部（与当前执行的指令无关）：
（1）外设请求：如I/O操作完成发出的中断信号
（2）人工干预：如用户强行终止一个进程
外中断的处理过程：
1.CPU执行各个指令，执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
2.如检测到有外部中断信号，则需保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字psw，程序计数器pc，各种通用寄存器）
3.根据终端信号类型转入响应中断处理程序
4.恢复原进程CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

三、系统调用

1.系统调用的概念及作用

上次博客提到操作系统提供给用户的程序接口（允许用户通过程序间接使用）其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来请求获得操作系统的服务。系统调用会使处理器从用户态进入核心态。
系统中各种共享资源都由操作系统同一长官，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，这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户非法操作。

2.系统调用的分类

（按功能分）：
1.设备管理：完成设备的请求/释放/启动等功能。
2.文件管理：完成文件的读/写/创建/删除等功能。
3.进程控制：完成进程的创建/撤销/阻塞/唤醒等功能
4.进程通信：完成进程之间的消息传递/信号传递等功能
5.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系统资源的管理，对进程的控制这些功能需执行一些特权指令才能完成因此系统调用的相关处理，需在核心态下进行。

3.系统调用和库函数的区别

1.系统调用是操作系统向上层提供的接口。
2.有的库函数是对系统调用的进一步封装。
3.当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数间接的进行系统调用。
在汇编语言指令中当执行int x指令（trap/陷入/访管指令）后CPU控制权交给操作系统处理系统调用的相关代码（运行在核心态）然后返回程序继续运行。其中int指令的参数指明了系统的调用号，此处的int不是整数的意思，其实是interrupt（中断）的缩写

4.系统调用背后的过程

1.传递系统参数
2.执行陷入指令
3.执行系统调用相应服务程序
4.返回用户程序
ps：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，从而使CPU进入核心态
2>发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用相应的处理是在核心态下进行的。
3>陷入指令是唯一一个只能在用户态下执行，而不能在核心态下执行的指令。
4>系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态，执行陷入指令会产生内中断，使处理器从用户态进入核心态。

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总结

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