操作系统的运行机制、中断和异常、系统调用

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石可破也，而不可夺坚；丹可磨也，而不可夺赤。

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一、操作系统的运行机制

• 程序是如何运行的？
• 一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令
• 程序运行的过程就是CPU一条一条的机器指令的执行过程
• “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令

1.1内核程序

• 由很多内核程序组成了 “操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”
• “内核（Kernel）”是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分，甚至可以说，一个操作系统只要由内核就够了
• 操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令
• 这些指令影响重大，只允许“管理者” - - 即操作系统内核来使用

1.2应用程序

• 在操作系统之上的程序就是应用程序，即普通的应用软件。
• 应用程序只能使用：“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

CPU能判断出指令类型，但是它怎么区分此时正在运行的是内核程序还是应用程序？

1.3内核态和用户态

• 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
• 处于用户态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行非特权指令
• CPU中有一个寄存器叫程序状态寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。
• 别名：内核态=核心态=管态
• 用户态=目态

1.4内核态、用户态的切换

• 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”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
• 用户态–>内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU使用权
• • 除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号
• • 一个共性是：但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

二、中断和异常

2.1中断的作用

• 在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
• “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
• 如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU执行，CPU就会一直运行这个应用程序

2.2中断的类型

2.2.1内中断（也称“异常”）

• 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部
• • 有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令 – – 陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
    
• 执行“陷入程序”，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。
• “系统调用”’就是通过陷入指令完成的
  • • 1.陷阱、陷入（trap）：由陷入指令引发，是应用程序故意引发的
  • • 2.故障（fault）：由错误条件引起的，可能被内核程序修复。
  • 内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序，让他继续执行下去，如：缺页故障
  • • 3.终止（abort）:由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的程序，而是直接终止该应用程序，如整数除0、非法使用特权指令

2.2.2外中断

• 与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部
• • 1.时钟中断 – – 由时钟部件发来的中断信号
  • • 时钟部件每隔一个时间片（如50ms）会给CPU发送一个时钟中断信号
• • 2.I/O中断 – – 由输入/输出设备发来的中断信号
  • • 当输出任务完成时，向CPU发送中断信号

2.3中断机制的基本原理

• 不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。
• 当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
  

三、系统调用

3.1什么是系统调用

• “系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。
  

3.2系统调用与库函数的区别

普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数，有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的细节，使程序员编程更方便
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

• 不涉及系统调用的库函数：如“取绝对值”的函数
• 涉及系统调用的库函数：如“创建一个新文件”的函数

3.3什么功能要用到系统调用

• 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。
• 系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成
• 这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

3.4系统调用的过程

• 传递系统调用参数 --> 执行陷入指令（用户态） --> 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态） --> 返回应用程序