操作系统_处理器（第二章）

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一.运行机制

1.1 特权指令和非特权指令

什么是指令？
一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令

所以 “指令“就是CPU（处理器）能识别，执行的最基本命令
比如 ： 加法指令就是让CPU进行加法运算

有些指令“人畜无害” 例如 加 减 乘 除 这些普通的运算指令
有的指令有着很高的权限 比如：内存清零 如果用户可以使用这种指令。就意味着一个用户可以将其他的用户内存数据随意清零，这样是很危险的。

所以 指令被分为 特权指令和非特权指令
为了具体实现双重模式，因此将能引起损害的机器指令作为特权指令（privileged instruction）。如果在用户模式下试图执行特权指令，那么硬件并不执行该指令，而是认为该指令非法，并将其以陷阱（trap）的形式通知操作系统。特权指令有以下几种：

  1）允许和禁止中断，控制中断禁止屏蔽位

  2）在进程间切换处理

  3）存取用于主存保护的寄存器

  4）执行I/O操作

  5）停止一个中央处理器的工作

  6）清理内存

  7）设置时钟

  8）建立存储键

  9）加载PSW

CPU如何判断可以执行特殊指令？
这就涉及到了 两种处理器状态 用户态（目态）和核心态（管态）

1.2用户态和核心态

内核态：
1.系统中既有操作系统的程序，也有普通用户程序。为了安全性和稳定性，操作系统的程序不能随便访问，这就是内核态。即需要执行操作系统的程序就必须转换到内核态才能执行
2. 内核态可以使用计算机所有的硬件资源

用户态：不能直接使用系统资源，也不能改变CPU的工作状态，并且只能访问这个用户程序自己的存储空间

1.3内核程序和应用程序

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
为了保证系统的安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

操作系统中的那些功能应由内核程序实现？

安装好WINDOWS后

二.操作系统内核

三.中断和异常

3.1中断机制的诞生

早期的计算机：
各个程序只能串行的执行，导致系统资源率利用特别低
所以人们开发出了操作系统（作为计算机的管理者）,引入了中断机制，实现了多道程序并发执行。

发生中断就意味着 需要操作系统的介入，开展管理工作

所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据,
或者从键盘获取输入等.，而唯一可以做这些事情的就是操作系统,
所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作（比如java的I/O操作底层都是通过native方法来调用操作系统）。

这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令。

这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)

3.2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的介入，开展管理工作；由于操作系统的管理工作（进程切换，分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转换为核心态。中断 可以让CPU从用户态切换为核心态，让操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才可以实现多道程序并发执行。

用户态☞核心态 是 通过中断实现的。并且中断是唯一的途径
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（PSW）的标志位设置为用户态 比如 0为用户态 1为核心态

3.3中断的分类

3.4外中断的处理过程

step1：
执行完成每个指令过后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
step2：
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）
step3：
根据中断信号类型转入相应的中断处理程序（内核）
step4：
恢复原进程的CPU环境并退出中单，返回原进程继续往下执行