【操作系统】运行机制，内核和中断机制

操作系统的运行机制和体系结构

运行机制

• 两种指令

  • 特权指令

    • 内存清零指令

  • 非特权指令

    • 运算指令

  • cpu在设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，在执行一条指令之前就能判断出类型

• 两种处理机状态

  • 内核态（核心态，管态）

    • 正在运行的是内核程序，可以执行特权指令，也可以执行非特权指令

  • 用户态（目态）

    • 正在运行的是应用程序，只能执行非特权指令

  • 如何变态？

    • 内核态->用户态

      • 执行一条特权指令，修改PSW的标志位为用户态

    • 用户态->内核态

      • 由中断引发，硬件自动完成变态过程

  • PSW中有一个二进制位会标记这两个状态

• 两种程序

  • 内核程序
  • 应用程序

操作系统内核

• 内核

  • 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

• 组成

  • 时钟管理

  • 中断处理

  • 原语

    • 一种特殊的程序，执行具有原子性

  • 对系统资源进行管理

    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理

操作系统体系结构

• 大内核

  • 优点：高性能
  • 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

• 微内核

  • 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护
  • 缺点：需要频繁地核心态和用户态之间切换，性能低（变态是有成本的）

• 

中断和异常

中断的作用

• 让操作系统强行夺回CPU的控制权
• 使CPU从用户态变为核心态
• 没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发

中断的分类

• 内中断/异常/例外

  • 陷阱，陷入trap，访管指令

    • 应用程序故意引发的，用户主动把CPU还给内核，例如：系统调用

  • 故障fault

    • 如缺页故障，有错误条件引起，可能被修复

  • 终止 abort

    • 由致命错误引起，无法修复

  • 中断源来源于cpu内部

• 外中断/中断

  • 时钟中断（为了并发）
  • io中断请求

中断机制的基本实现原理

• 检查中断信号

  • 内中断：cpu在执行指令的时候会检查是否有异常发生
  • 外中断：每个指令周期末尾，cpu会检查是否有中断需要处理

• 找到相应的中断处理程序

  • 通过中断向量表实现

系统调用

什么是系统调用？

• 操作系统对程序员提供的接口
• 应用程序通过系统调用请求内核服务

操作系统与库函数的区别

• 有的库函数是对系统调用的进一步封装
• 有的库函数不涉及系统调用，有的涉及
• 库函数是编程语言提供给程序员的接口
• 系统调用是操作系统提供给程序员的接口

什么功能需要用系统调用实现？

• 设备管理
• 文件管理
• 进程管理
• 内存管理

系统调用的过程

• 

  • 传参
  • 陷入指令/trap/访管指令
  • 由操作系统的内核程序处理系统调用请求
  • 返回应用程序

• 广义指令=系统调用指令，在用户态下调用，在核心态下执行

• 陷入指令=trap指令=访管指令，在用户态下调用，在核心态下执行

• 用户态发出系统调用请求，核心态处理请求