操作系统 第一章 (用户态 核心态 中断 异常)

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操作系统的概念功能和目标

操作系统的概念：是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理的组织调度计算机的工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件
1）作为系统资源的管理者：
处理机管理，存储器管理，文件管理，设备管理
2）作为用户和计算机的接口：
命令接口：
①联机命令接口：用户说一句，系统做一句(交互式命令接口)
②脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆(批处理)
程序接口：由一组系统调用(广义指令)组成，用户通过程序简介使用，比如调用DLL
③图形用户界面

操作系统的特征

1.并发(两个最基本的特征之一)并发和共享互为存在条件
指事件宏观上是同时发生的，微观上是交替发生的
2.共享(两个最基本的特征之一)并发和共享互为存在条件
互斥共享：一段时间只允许一个进程访问
同时共享：一个时间段多个程序“同时”访问
3.虚拟：把物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
空分复用技术:如虚拟存储器技术
时分复用技术：如虚拟处理器
4.异步：允许多个程序并发执行，但是是走走停停，程序执行不是一管到底，只有系统拥有并发性，才会有异步性

操作系统的发展与分类

1.手工操作阶段
2.批处理阶段——单道批处理系统：脱机输入输出
3.批处理阶段——多道批处理系统：多道程序并发，共享计算资源,无人机交互
4.分时操作系统：以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，解决了人机交互问题，但不能优先处理一些紧急任务
5.实时操作系统：在严格的时间内处理完事件，主要特点是及时性和可靠性

操作系统的运行机制与体系结构

1.两种指令：
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：如普通的运算指令
2.两种处理器状态(由程序状态寄存器psw保存)
用户态(目态)：只能执行非特权指令
核心态(管态)：特权、非特权指令都能执行
3.两种程序：
内核程序：运行在核心态，可以执行特权和非特权指令
应用程序：只能执行非特权
操作系统内核：是计算机配置的底层软件
大内核：高性能，内核代码庞大，难以维护
微内核：内核功能少，方便维护，但是需要在核心态和用户态之间切换

中断和异常

1.中断：为了实现多道程序并发执行而引入的技术
1）当中断发生时，CPU立即进入核心态，操作系统或者计算机控制权
2）当中断发生后，当前进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3）对于不同的中断信号，会不同处理
用户态和和心态的切换通过中断实现，并且只能通过中断实现
内外中断的区别是中断源来源于CPU内部还是外部
内中断：也称异常、例外‘陷入’，如指令中断、缺页故障、软件中断(除0)，分为：陷入、故障、终止
外中断：外设请求、人工干预，如I/O操作完成发出中断信号，分为I/O中断请求、人工干预
外部中断处理过程：

系统调用

系统调用需要在核心态下进行
传递系统调用参数——>执行陷入指令(用户态)——>执行系统调用相应的服务程序(和心态)——>返回用户程序
注意
1.陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，CPU从而进入和心态
2.发出系统调用的请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
3.陷入指令是唯一一个只能在用户态而不能在核心态执行的指令