用户态与内核态

用户态下，程序不能访问内核地址空间（数据和代码），内核态下则没有此限制。

激活内核例程的方法：

• 系统调用。

• CPU异常。如CPU遇到错误指令时，内核将代表进程执行错误处理程序。

• 中断。如外部设备I/O请求。

• 内核线程被执行。内核线程是运行在内核地址空间的特权线程，不与任何终端交互，随操作系统一同启动。

进程

内核使用进程描述符（process descriptor）来标识进程。

进程描述符包括：

• 程序计数器（PC）和栈指针寄存器（SP）
• 通用寄存器
• 浮点寄存器
• 包含CPU状态信息的处理器控制寄存器（处理器状态字，Processor Status Word）
• 用来跟踪进程对RAM访问的内存管理寄存器。

内核同步与临界区

临界区是这样一段代码，进入这段代码的进程必须完成，之后另一个进程才可以进入。以下为内核同步的方法。

非抢占式内核

进程在内核态执行时，不能被任意挂起，也不能被另一个进程替代。内核态的进程可以主动放弃CPU。

禁止中断

进入临界区前禁止硬件中断，离开临界区再开启中断。

信号量

信号量是与一个数据结构相关的计数器，在访问这个数据结构之前，需要先检查信号量。可以把信号量看做一个对象，它包括：

• 一个整数变量
• 一个等待进程的列表
• 两个原子操作：down（）和up（）

down（）操作将信号量的值减1，如果此时信号量小于0，则将当前进程描述符加入等待进程的列表，并阻塞当前进程；up（）操作将信号量的值加1，如果当前等待进程的列表不为空，则唤醒其中一个。

自旋锁

与信号量类似，但是没有等待进程的列表。当一个进程发现锁被另外一个进程占用时，就执行一个循环直到锁被释放。

信号

SIGKILL和SIGSTOP不能被进程进程捕获和忽略。除此之外，进程对信号的处理方式：

• 忽略该信号。
• 执行信号处理程序。

如果进程不选择处理方式，则内核会根据不同的信号，使用以下默认处理方式之一：

• 终止进程。
• 如果进程曾被暂停，则恢复它的执行。
• 忽略信号。
• 挂起进程。
• 将执行上下文和进程地址空间写入一个文件（核心转储，core dump），并终止进程。

进程间通信

• 信号量。
• 消息队列。
• 共享内存。

设备驱动程序

当应用程序想访问外围设备时，就利用文件相关的系统调用和/dev下的相关设备文件对内核发出请求。

设备文件是设备驱动程序接口中用户可见的部分。

每个设备文件都有相应的设备驱动程序，由内核调用以执行对硬件的请求操作。