考研党修行——操作系统的运行机制

1.知识总览

2.程序是如何运行的？

注意：”指令“就是处理器（CPU）能识别，执行的最基本命令。（很多人习惯把Linux，Windows，MacOS的”小黑框“中使用的命令也称为”指令“，其实这是”交互式命令接口“）

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

3.内核程序与应用程序
我们普通程序员写的程序就是”应用程序“，而微软，苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是”内核程序“，有很多内核程序组成了”操作系统内核“，或简称”内核“。

内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分

4.特权指令与非特权指令
应用程序只能使用”非特权指令“，如：加法指令，减法指令等。
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）；

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执行一条指令前就能判断出其类型。

5.内核态与用户态
CPU既然能判断出指令类型，但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序或者是应用程序呢？

其实，CPU有两种状态，即”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“。

6.内核态与用户态的切换


内核程序在合适的时候主动让出CPU，从核心态切换到用户态，即将让应用程序在CPU上运行。一旦CPU处于用户态时，我们的应用程序将会在此用户态下运行，此时CPU会执行应用程序中一条又一条的指令。但是如果此时在应用程序中恶意植入了一条特权指令，那么此时CPU当执行这条特权指令时，会检查自己的PSW，发现自己依然处于用户态却要执行这条特权指令，那么这个非法事件会引发一个中断信号发送给CPU，使得CPU强行从用户态转成核心态，并且CPU会拒绝执行该特权指令以及暂停执行后面的其他指令。转而CPU会执行一个处理中断信号的内核程序。换句话说，在发生中断信号之后，”中断“使操作系统内核再次夺回CPU的控制权，从用户态再次切换到核心态，操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序。

我们可以看出：
1.当操作系统从内核态切换到用户态时：

2.当操作系统从用户态切换到内核态时：

从用户态切换到内核态的前提是由中断引发的，除了非法使用特权指令之外，还有许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工作地方，都会触发中断信号。

7.小节概述