王道 —— 操作系统的运行机制和体系结构
目录
- 1、什么是指令
- 2、两种指令、两种处理器状态、两种程序
- 3、操作系统的内核
- 3.1 总结
- 3.2 大内核和微内核
- 3.3 操作系统的体系结构
- 4、知识回顾
1、什么是指令
问题：“指令”和我们平时所说的“代码”有什么区别？
平时我们使用C语言编写代码之后，这些代码会经过一些处理“翻译”为机器语言指令（一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令）；
机器语言指令是由二进制数字表示的，因为计算机只能识别二进制数；
简单来说，“指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令；
2、两种指令、两种处理器状态、两种程序
指令就是让处理器（CPU）做一件具体的事情，有的指令，例如“加减乘除”，处理器在执行这些指令时并不会影响系统的安全性；但是有些指令会导致很大的安全问题，比如内存清零指令，如果所有的用户程序都可以使用这些指令，那就意味着一个用户可以将其它用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。
为了解决不同指令可能带来的安全问题，我们会把指令分为：
- 特权指令
- 非特权指
其中特权指令是不允许用户程序使用，CPU在执行指令时会进行判断，当前是否允许执行特权指令；
由此引出一个新的问题，CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？为此规定了处理器的两种状态：
- 用户态（目态），此时CPU只能执行非特权指令；
- 核心态（管态），此时CPU可以执行特权指令、非特权指令；
CPU的两种处理器状态是用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来表示当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态；
系统中存在特权指令和非特权指令两种，有的程序需要使用特权指令，有的指令只能使用非特权指令；因此计算机系统又把程序分为两种程序：
- 内核程序
- 应用程序
操作系统的内核程序时系统的管理者，即可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态；
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；
上面聊了特征指令和非特征指令，特权指令需要运行在核心态的处理器中，非特权指令既可以在核心态的处理器中运行，也可以在用户态的处理器中运行；
需要使用特权指令的程序称为内核程序，普通的程序称为应用程序；内核程序需要使用特权指令，因此需要运行在核心态；
现在考虑下一个问题：操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？这就引出了操作系统的内核；
3、操作系统的内核
我们安装完windows操作系统之后，会发现操作系统提供了多种多样的功能，比如“记事本”、“任务管理器”。然而，这些功能不是必不可少的，即使没有任务管理器，我们仍然可以使用计算机；
操作系统是基于应用程序和裸机（纯硬件）的中间层次，但是操作系统还可以划分为更细小的层次；
比如最接近硬件的层次就是操作系统的内核，这是操作系统中最重要最核心的部分；在内核上还可以细分一层非内核功能；
操作系统的内核可以进一步细分为和硬件紧密相关的，比如说时钟管理、中断处理还有原语；
其中时钟管理用于实现计时功能，所有的进程切换、进程调度等工作都需要计时功能才能实现；原语是一种特殊的程序。比如设备驱动、CPU切换这些都需要原语实现，原语是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性，原子性是指这种程序要么不执行，要么一开始执行就得执行到结束，中间不能中断；
除了离硬件最近的时钟管理、中断处理、原语这三个模块之外，内核中通常还包含着像进程管理、存储器管理、设备管理等功能，这部分也属于内核功能；
3.1 总结
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；
操作系统的内核可以划分为四大部分：
- 时钟管理
- 中断处理
- 原语
- 对系统资源进行管理的功能
上述四大部分中的时钟管理、中断处理、原语是最接近硬件的模块；原语有一个很重要的特性，原语的运行具有原子性，其运行只能一气呵成，不可中断；
操作系统内核中对系统资源进行管理的功能看，比如进程管理、存储器管理、设备管理也会被划分到操作系统内核；但是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，对内核的功能划分可能并不一样；
3.2 大内核和微内核
因为不同操作系统的划分原则可能不同，由此引出了操作系统的体系结构：大内核和微内核。
大内核是把操作系统中的进程管理、存储器管理、设备管理等功能放到操作系统的内核中，这样的操作系统比较大，这就是大内核的体系结构；
如果操作系统的内核只包含最基本的功能，如时钟管理、中断处理、原语等，这种内核称为微内核；
3.3 操作系统的体系结构
大内核就是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；微内核只是把最基本的功能保留在内核，把一些不必要的功能放在内核之外；
将操作系统的体系结构与企业的管理问题进行类比：
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。优点是组织结构清晰，方便维护；缺点是效率低；
4、知识回顾
