操作系统的运行机制

两种指令：特权指令、非特权指令

两种处理器状态：核心态、用户态

两种程序：内核程序、应用程序

内核程序vs应用程序

我们普通程序员写的程序就是“应用程序”，微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”。由很多内核程序组成了操作系统内核“，或简称“内核” 内核是操作系统最核心的部分，也是最接近硬件的部分，甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了(eg：Docker–>仅需Linux内核) ，操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI。

特权指令vs非特权指令

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”–即操作系统内核来使用

应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令就能判断出其类型。

内核态vs用户态

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”

处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令。

处于用户态时，说明此时正在运行 的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

拓展：CPU中有一个寄存器叫 程序状态字寄存器（psw），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。

别名:内核态=核心态=管态；用户态=目态

内核态、用户态的切换

一个故事：
1.刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行。

2.开机完成后，用户可以启动某个应用程序。

3.操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行。

操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”。

4.应用程序运行在“用户态”。

5.此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…

6.CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”

7.这个非法事件会引发一个中断信号。

CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序。

8.“中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权。

9.操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把使用权交给别的应用程序。

重点：
核心态->用户态：执行一条特权指令–修改psw的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动权让出CPU使用权

用户态->内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回cpu的使用权

注：除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号，一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。

中断和异常

中断的作用

中断的类型：内中断（也称“异常”）、外中断

中断机制的基本原理

中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。

在合适情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序（第二章进程管理相关内容）。

“中断”是指让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序（既如此，“并发就实现不了”）。

中断的类型

内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。

外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

内中断的例子：
例子1：试图在用户态下执行特权指令

例子2：执行除法指令时发现除数为0

若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。

例子3：有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令–“陷入指令”，该指令会引发一个内部中断信号。

执行“陷入指令”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。“系统调用”就是通过陷入指令完成的。

外中断的例子：
例子1：时钟中断–由时钟部件发来的中断信号。

时钟部件每隔一个时间片（如50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号。

例子2：I/O中断–由输入/输出设备发来的中断信号。

当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号。

注：每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。

中断的分类(广义的中断)

内中断（也称异常、例外）：陷阱(陷入)、故障、终止

陷入：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的。

故障：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：缺页故障。

终止：由致命错误引起的，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序。如：整数除0、非法使用特权指令。

外中断（也称“中断”、狭义的中断）：时钟中断、I/O中断请求。

注：大多数的教材、试卷中，“中断”特指狭义中的中断，即外中断。而内中断一般称为“异常”。

中断机制的基本原理

检查中断信号：
内中断：CPU在执行指令时会检查是否有异常发生。

外中断：每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理。

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询”中断向量表“，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。

知识回顾与重要考点

系统调用

什么是系统调用？

系统调用与库函数的区别

小例子：为什么系统调用是必须的？

什么功能要用系统调用实现？

系统调用的过程

什么是系统调用？

“系统调用”使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，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。

系统调用与库函数的区别

小例子：为什么系统调用是必须的？

生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了wps的“打印”选项，打印机开始工作。你的论文打印到一半时，另外一位同学按下了word的“打印”按钮，开始打印他自己的论文。

思考：如果两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？

两个进程并发运行，打印机设备交替地收到了wps和word两个进程发来的打印请求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用”，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

什么功能要用系统调用实现？

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： 完成内存分配的 分配/回收 等功能。

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种资源都由操作系统内核一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（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内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。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。

系统调用的过程

传递系统调用参数–>执行陷入指令（用户态）–>执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）–>返回应用程序

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，使CPU进入核心态。
2.发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行。

注意别名：陷入指令=trap指令=访管指令

知识点回顾与重要考点

操作系统的体系结构

大内核/单内核/宏内核

微内核

操作系统的内核

内核是操作系统最基本、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

包含进程管理、存储器管理、设备管理等功能称为大内核，否则称为微内核。

注意：
操作系统内核需要运行在内核状态。
操作系统的非内核功能运行在用户态。

一个故事：现在，应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理。

注意：变态（CPU状态的转化）的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会减低系统性能。

知识点回顾与重要考点

第一章知识回顾

内核态下既可执行特权指令，也可执行非特权指令。

操作系统通过“进程调度”选择让某个应用程序上CPU运行。

系统调用(一种特殊的异常)。

应用程序通过系统调用主动地请求操作系统的服务，会使用“陷入指令/trap/访管”主动引发一个异常，主动放弃CPU使用权。