【操作系统的运行机制与体系结构、中断和异常、系统调用】

1.4 操作系统的运行机制与体系结构

1. 什么是“指令”？和我们平时所说的“代码”有什么区别？

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2. 运行机制 —— 两种指令、两种处理器状态、两种程序

有的指令“人畜无害”。比如:加、减、乘、除这些普通的运算指令。

有的指令有很高的权限。比如:内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。

因此，指令分为两种：

• 特权指令：如内存清零指令，不允许普通用户程序使用
• 非特权指令：如普通的运算指令

那么，CPU又是如何判断当前是否可以执行特权指令的呢？
为此，规定了两种处理器状态：

• 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令。
• 核心态（管态）：特权指令，非特权指令都可执行。

而处理器状态用程序状态字（PSW）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。

有的程序需要使用特权指令，而有的程序只能使用非特权指令，因此，计算机系统将程序分为两种。

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，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。
• 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。

那么操作系统的哪些功能应该由内核程序实现呢？

我们安装完Windows操作系统后，会发现操作系统提供了多种多样的功能，比如“记事本”、
“任务管理器”。然而，这些功能并不是必不可少的。即使没有“任务管理器”，我们仍然可以使用计算机。

所以操作系统中并不是所有东西都是必须存在必备的。

3. 操作系统的内核
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。

4. 操作系统的体系结构 —— 大内核和微内核

1.5 中断和异常

1 中断机制的诞生

早期计算机，各程序只能串行执行，系统资源利用率低。
为解决上述问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行。

本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。

• 举个例子
  CPU收到计时部件发出的中断信号，（从用户态）切换为核心态对中断进行处理➡ 将CPU使用权限交给操作系统，操作系统内核负责对中断信号进行处此时操作系统就会决定进程1的时间片已用完，换进程2运行。➡ 接下来进程2开始在用户态下执行 ➡运行过程中进程2可能发出系统调用（内中断信号），请求输出，CPU切换为核心态，对中断进行处理➡操作系统内核负责对中断信号进行处理➡输出设备开始工作，进程2暂停运行等待I/O完成，换进程3（切换为用户态）运行……I/O完成，设备向CPU发出中断信号➡CPU收到I/O设备发来的中断信号，切换为核心态对中断进行处理➡操作系统内核对中断信号进行处理➡进程2的I/O操作完成，让进程2恢复运行（切换为用户态），以完成后续工作……

2 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。

“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”。

3 中断的分类

根据信号的来源（本质区别），中断分为内中断和外中断。

1. 内中断（也称异常、例外、陷入）

信号的来源：CPU内部。 与当前执行的指令有关。
一种分类方式：

• 自愿中断 —— 指令中断 如：系统调用时使用的访管指令（又叫陷入指令、trap指令）
• 强迫中断
  • 硬件故障（如：缺页）
  • 软件中断（如：整数除0）

另一种分类方式：

• 陷阱、陷入（有意而为之的异常，如系统调用）
• 故障（fault 由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页）
• 终止（abort 不可恢复的致命错误造成的结果，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（狭义的中断）

信号的来源：CPU外部。 与当前执行的指令无关。

• 外设请求（如：I/O操作完成发出的中断信号）
• 人工干预（如：用户强行终止一个进程）

4 外中断的处理过程

1.6 系统调用

1 什么是系统调用，有何作用？

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。

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、lO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。

系统调用（按功能分类）:

• 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。

2 系统调用与库函数的区别

3 系统调用背后的过程