2022王道OS 1.3 操作系统运行环境

1.3_1 操作系统的运行机制

知识总览

知识点

预备知识：程序是如何运行的？

两种程序：内核程序 VS 应用程序

• 我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
• 微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“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，一个操作系统只要有内核就够了（eg：Docker→仅需Linux内核） 操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI

两种指令：特权指令 VS 非特权指令

• 应用程序只能使用“非特权指令”，如： 加法指令、减法指令等

• 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

• 在CPU设计和生产的时候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

两种状态：内核态 VS 用户态

• CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”

  别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态

• 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应用程序，此时只能执行非特权指令

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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 or 应用程序？

• CPU中有一个寄存器叫 程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示 “内核态”，0表示“用户态”

如何实现CPU状态的切换？

• 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，硬件自动完成状态转换过程，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

• 来看这个情境

  1. 刚开机时，CPU 为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行

  2. 开机完成后，用户可以启动某个应用程序

  3. 操作系统内核程序在合适的时候主动让出 CPU，让该应用程序上CPU运行

     操作系统内核在让出 CPU之前，会用一条特权指令把 PSW 的标志位设置为“用户态”

  4. 应用程序运行在“用户态”

  5. 此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统…

  6. CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”

  7. 这个非法事件会引发一个中断信号

     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

  8. “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权

  9. 操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序

知识回顾与重要考点

1.3_2 中断和异常

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知识点

中断的作用

• CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

• 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（第二章进程管理相关内容）

• “中断”会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU 的控制权

  • “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

• 没有中断机制的后果

  

• CPU两种状态的转换

  • 内核态→用户态
    • 执行一条特权指令–修改PSW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，硬件自动完成状态转换的过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

中断的类型

内中断（也称异常、例外）

• 与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

• 若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号

  • 例
    • 试图在用户态下执行特权指令
    • 执行除法指令时发现除数为0

• 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，该指令会引发一个内部中断信号

  • 执行”陷入指令“，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
  • 注意陷入指令不是特权指令
  • 别名：陷入指令 = trap 指令 = 访管指令

外中断（也称”中断“）

• 与当前执行的指令无关，中断信号俩源于CPU外部

• 每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查 是否有外中断信号

• 例1 时钟中断——由时钟部件发来的中断信号

• 例2 I/O中断——由输入/输出设备发来的中断信号

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。

知识回顾与重要考点

• 没有中断机制，就不可能实现操作系统，不可能实现程序并发

1.3_3 系统调用

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知识点

何为系统调用，有何作用

• 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。
  • 主要包括命令接口和程序接口。
  • 其中，程序接口由一组系统调用组成。

• “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。

系统调用 和 库函数 的 区别

• 例
  • 不涉及系统调用的库函数：如的“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

小例子：为什么系统调用是必须的？

• 例
  • 生活场景：去学校打印店打印论文，你按下了 WPS 的“打印”选项，打印机开 始工作。 你的论文打印到一半时，另一位同学按下了 Word 的“打印”按钮，开始打印他 自己的论文
  • 若两个进程可以随意地、并发地共享打印机资源，会发生什么情况？
    • 两个进程并发运行，打印机设备交替地收到 WPS 和 Word 两个进程发来的打印请 求，结果两篇论文的内容混杂在一起了…
  • 解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供 “系统调用” ，用户进程想要使用打印机这种共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

什么功能要用系统调用实现

• 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而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

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

• 注意：

  1. 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态
  2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行

知识回顾与重要考点