3 操作系统的运行机制

2017-05-20 本文已影响56人 saviochen

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序或系统外层的应用程序。对操作系统而言，前者是后者的管理者。操作系统在具体实现上划分了用户态（目态）和核心态（管态)，以严格区分两类程序。

特权指令，是操作系统由于管理用户态的指令，如I/O指令、置中断指令、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器等指令。特权指令只能在核心态执行，不允许用户直接使用。

操作系统的各项功能分别被设置在不同的层次上。一些与硬件关联较紧密的模块，诸如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。其次是运行频率较髙的程序，诸如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核。内核是计算机功能的延伸，工作在最底层。这部分内容的指令操作工作在核心态。

在CPU的设计中，用户态指非特权状态。在此状态下，执行的代码被硬件限定，不能进行某些操作，比如写入其他进程的存储空间，以防止给操作系统带来安全隐患。在操作系统的设计中，用户态也类似，指非特权的执行状态。内核禁止此状态下的代码进行潜在危险的操作，比如写入系统配置文件、杀掉其他用户的进程、重启系统等。

引入核心态和用户态两种工作状态后，操作系统内核工作在核心态，用户程序工作在用户态。系统不允许用户程序实现核心态的功能，因此需要通过中断或者异常，实现从用户态进入核心态。CPU由用户态进入核心态是通过硬件实现的。

根据中断源的不同，可以把中断分为硬件中断和软件中断两大类，而硬件中断又可以分为外部中断和内部中断两类。

外部中断一般是指由计算机外设发出的中断请求，如：键盘中断、打印机中断、定时器中断等。外部中断是可以屏蔽的中断，也就是说，利用中断控制器可以屏蔽这些外部设备的中断请求。这一类中断通常是与当前程序运行无关的事件，即他们与当前处理器运行的程序无关。

内中断，也成为异常，也成为例外或者陷入，指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码，地址越界，算术溢出、虚存系统的缺页以及专门的陷入指令等引起的时间，对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。

内中断与外中断的区别

软件中断其实并不是真正的中断，它们只是可被调用执行的一般程序。例如：ROM BIOS中的各种外部设备管理中断服务程序（键盘管理中断、显示器管理中断、打印机管理中断等，）以及DOS的系统功能调用（INT 21H）等都是软件中断。

系统调用是指用户程序在申请系统服务时，使用的特殊公共接口。系统调用按照功能大致可分为以下几个方面：

系统调用运行在系统的核心态。通过系统调用的方式来实现操作系统功能，可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。下面列举一些由用户态转向核心态的例子：