(三)操作系统运行环境

操作系统运行环境

1. CPU状态
2. 中断/异常机制

操作系统运行机制

1. 系统调用

处理器状态(模式)

中央处理器(CPU)

处理器由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。
有两类寄存器：

• 用户可见寄存器：高级语言编译器通过优化算法分配并使用之，以减少程序访问内存次数。

• 控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作，通常由操作系统代码使用。

  
  
  

  控制和状态寄存器

处理器的状态(模式MODE)

现代处理器通常将CPU状态设计划分为两种、三种或四种。
在程序状态字寄存器PSW中专门设置一位，根据运行程序对资源和指令的使用权限而设置不同的CPU状态。

特权指令和非特权指令

操作系统需要两种CPU状态：

• 内核态Kernel Mode:运行操作系统程序
• 用户态User Mode:运行用户程序

特权privilege指令：只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令
非特权指令：用户程序可以使用的指令

化对号的都是特权指令

CPU状态之间的转换

• 用户态 ---> 内核态
  中断/异常/陷入机制
• 内核态 ---> 用户态
  设置程序状态字PSW

陷入指令

又称访管指令，提供给用户程序的接口，用户调用操作系统的功能(服务)。

中断/异常机制

中断/异常机制其实是CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应。

CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点继续执行被打断的程序。

对于操作系统的作用相当于汽车的发动机，飞机的引擎。
作用：

• 及时处理设备发出的中断请求
• 可使OS捕获用户程序提出的服务请求
• 防止用户程序执行过程中的破坏性活动

为什么引入中断与异常

1. 中断的引入：为了支持CPU和设备之间的并行操作
   当CPU启动设备进行输入/输出后，设备便可以独立工作，CPU转去处理与此次输入/输出不相关的事情；当设备完成输入/输出后，通过向CPU发中断报告此次输入/输出的结果，让CPU决定如何处理以后的事情。
2. 异常的引入：表示CPU执行指令时本身出现的问题
   如算术溢出、除零、取数时的奇偶错，访存地址时越界或执行了“陷入指令”等，这时硬件改变了CPU当前的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或执行系统调用。

事件

事件

中断：外部事件，正在运行的程序所不期望的。
异常：由正在执行的指令引发

中断与异常的小结

系统调用system call

系统调用是用户在编程时可以调用的操作系统功能。

1. 系统调用的作用

• 系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口
• 使CPU状态从用户态陷入内核态

2. 系统调用的举例
   每个操作系统都提供几百种系统调用(进程控制、进程通信、文件使用、目录操作、设备管理、信息维护等)

关系

怎样实现用户程序的参数传递给内核？

常用的3种实现方法：

1. 由陷入指令自带参数
   陷入指令的长度有限，且还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数。
2. 通过通用寄存器传递参数
   这些寄存器是操作系统和用户程序都能访问的，但寄存器的个数会限制传递参数的数量
3. 在内存中开辟专用堆栈区来传递参数