操作系统的运行机制与体系结构

1.OS的运行机制和体系结构¹

预备知识：什么指令？
问题：“指令”和我们平时所说的“代码”有什么区别？
C语言代码，需要经过编译器“翻译”成机器语言指令，一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令。

简单来说，“指令”就是处理器（CPU）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

1.1 运行机制

新的问题
有的指令“人畜无害”。比如：加、减、乘、除 这些普通的运算指令。
有的指令有很高的权限。比如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样显然是很危险的。
为了解决这个问题，把指令分为特权指令和非特权指令

• 两种指令

  • 特权指令：如内存清零指令（不允许用户程序使用）

  • 非特权指令：如普通运算指令

  问题：CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

• 两种处理器状态

  • 核心态(管态)：此时特权指令、非特权指令都可执行

  • 用户态(目态)：此时CPU只能执行非特权指令

  两种处理器状态
  用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如：0为用户态，1为核心态

• 两种程序

  • 内核程序
    操作系统的内核程序是系统的管理者，既可执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态。

  • 应用程序
    为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

1.2 操作系统内核

内核是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。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

• 时钟管理
  实现计时功能

• 中断处理
  负责实现中断机制

• 原语
  是一种特殊的程序
  处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
  这种程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断
  运行时间较短、调用频繁

• 对系统资源进行管理的功能

  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

j时钟管理、中断处理和原语是与硬件关联较紧密的模块。
而对系统资源进行管理的功能，有的操作系统不把这部分功能归为“内核功能”。也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

1.3 操作系统的体系结构

• 大内核
  将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态

  优点：高性能

  缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护

• 微内核
  只把最基本的功能保留在内核

  优点：内核功能少，结构清晰，方便维护

  缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

类比：
操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。
内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接。
大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。
微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是结构清晰，方便维护；缺点是效率低。

---

1. 以上笔记均整理自王道考研 ↩︎