王道_操作系统 1.3_1 操作系统的运行机制

笔记来源： b站 王道 操作系统

一、程序的运行原理

• 程序运行的过程就是CPU执行一条一条的机器指令的过程（机器指令就是由高级语言【eg：C语言代码】翻译过来对应的多条二进制指令）
• 辨析：“指令”与“命令”
  指令：处理器（CPU）能识别、执行的最基本指令（常指二进制机器指令）
  命令：指交互式命令接口 1.1_1 操作系统的概念、功能、（二）、（2）

二、两类程序

1、内核程序

• 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
• 由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核”。
• 一个操作系统只要有内核就够了
• 操作系统的功能未必都在内核中（如图形化用户界面GUI），没有GUI用户照样可以通过命令行“小黑框”来使用操作系统
• 可使用特权指令，如内存清零指令

2、应用程序

• 跑在操作系统之上的程序，如QQ、微信等等
• 只能使用“非特权命令”，如加法指令，减法指令等

三、两类指令

1、特权指令

如内存清零指令，这些指令影响重大。

2、非特权指令

如加法指令，减法指令等

3、辨析

• 在CPU设计和生产时就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。
• 然而，CPU是如何区分此时正在运行的是内核程序还是应用程序？
  在此引出CPU的两种状态：“内核态” “用户态”（详见 四、处理器的两种状态）

四、处理器（CPU）的两种状态

1、内核态/核心态/管态

2、用户态/目态

3、辨析

• CPU有两种状态，“内核态”与“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，说明此时在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

• CPU中有个寄存器叫 程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1/0分别表示“内核态“/“用户态”
  

五、两种状态的切换方式

1、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

2、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的使用权

• 除了非法使用特权指令以外，还有很多事情会触发中断信号。（但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号）
• CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序

六、总结（思维导图）

1. 正如下图所示，（程序、指令、处理器状态）之间一一对应

内核程序-特权指令-内核态/核心态/管态
应用程序-非特权指令-用户态/目态

2. 两种状态的切换方式

内核态 ——＞ 用户态：一条修改PSW的特权指令
用户态 —— > 内核态： 由中断引起，硬件自动完成