文章目录
前言
本文的主要内容仍然是操作系统的一些基础内容，包括操作系统的运行机制和体系结构、中断和异常以及系统调用，重点理解核心态和用户态的适用情况、内外中断的区别以及系统调用和库函数的区别。
一、操作系统的运行机制和体系结构
操作系统的运行机制和体系结构的大框架如下图所示。
1、运行机制
代码会被翻译为一系列的机器指令，而这些指令就是处理器能够识别和执行的最基本的命令。
指令分为特权指令和非特权指令，特权指令不允许普通用户使用，比如内存清理指令等高权限指令；非特权指令就是简单的指令，比如加减乘除等运算指令。
那么CPU如何判断是否执行特权指令呢？处理器用程序状态字寄存器(PSW)中的某个标志位来标识当前处理器处于什么状态，这两种状态分别为用户态(也称为目态)和核心态(也称为管态)，例如用0标志用户态，用1标志核心态。
当处理器的状态为用户态时，CPU只能执行非特权指令，当处理器的状态为核心态时，CPU不仅可以执行非特权指令，还可以执行特权指令。需要注意的是，陷入指令是唯一一个只能在用户态下执行，而不能在核心态下执行的指令。
正是由于这两种状态的存在，就出现了两种程序，分别是内核程序和应用程序。
操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，其运行在核心态；为了保证系统能够安全的运行，普通应用程序只能执行非特权指令，其运行在用户态。
2、操作系统内核
计算机系统的层次结构如下图所示。
由上图可知，操作系统这一层还可细分为内核层和非内核层，各层具体包括的功能在图中也已清楚地展示了。
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的程序就是内核程序。
操作系统内核各功能的解释如下图所示。
3、操作系统的体系结构
如果内核中只包含一些必不可少的功能，即时钟管理、中断处理以及原语等，则该内核称为微内核；如果在此基础上还包含进程管理、存储器管理、设备管理等功能，则该内核称为大内核。
微内核和大内核的优缺点如下图所示。
可以看到，由于大内核包含的功能多，因此其结构比较混乱，是难以维护的，但是其性能是比较高的；相反，微内核所包含的功能较少，因此其结构清晰且方便维护，但缺点是需要在核心态和用户态之间频繁的切换，性能较低。
二、中断和异常
中断和异常这部分会介绍中断机制的诞生、中断的概念和作用、中断的分类以及外中断的处理过程。
1、中断的诞生、概念及作用
早期的计算机中，各个程序只能串行的执行，程序移入内存之后开始运行，然后等待I/O设备输出，输出结果后该程序才能从内存移除，然后接着移入下一道程序。这种方式下系统资源利用率很低。
为了解决这一问题，操作系统就应运而生了，在其中引入中断机制，实现了多道程序并发执行。
发生中断就意味着需要操作系统介入，从而开展管理工作。操作系统的管理工作有诸如进程的切换、分配I/O设备等，它们的执行需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。
CPU从用户态切换为核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。
核心态到用户态的切换是通过执行一个特权指令，即将程序状态字(PSW)的标志位设置为用户态。
切换到核心态之后，操作系统获得了计算机的控制权，所以说有了中断，才能实现多道程序的并发执行。
当中断发生时，CPU立即进入核心态；中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理。
2、中断的分类
中断的分类如下图所示，中断分为内中断和外中断，其中内中断又称为异常。
区分内外中断看信号的来源是来自CPU内部还是外部。如果来自CPU内部，则是内中断，它与当前执行的指令有关；如果来自CPU外部，则是外中断，它与当前执行的指令无关。
中断的另一种分类方式如下图所示。
3、外中断的处理过程
外中断的处理过程如下：
1、有一系列的指令，CPU执行完每个指令后都要检查当前是否有外部中断信号；
2、如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境，比如程序状态字PSW、程序计数器PC以及各种通用寄存器等；
3、根据中断信号的类型转入相应的中断处理程序；
4、恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续执行。
接下来对中断和异常这部分做一个总结，如下图所示。
三、系统调用
1、系统调用的概念和作用
在上一节 操作系统——概念、功能、特征及发展分类 中提到过，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(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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
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统一管理，因此在用户程序请求中，凡是与资源有关的操作(如存储分配、I/O操作、文件管理、设备管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成，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。
下图是系统调用按功能分类后的结果，各功能的具体作用也罗列了出来。
系统调用的相关处理涉及到对系统资源和进程的管理，这些功能需要执行一些特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。
2、系统调用与库函数的区别
系统调用与库函数的区别如下图所示。
不涉及系统调用的库函数：如取绝对值等简单运算，这个时候在用户态下就可以完成；涉及系统调用的库函数：如创建一个新文件等，此时就需要在核心态下完成了。
系统调用是操作系统向上层提供的接口，有的库函数是对系统调用的进一步封装，当今编写的应用程序大多是通过高级语言提供的库函数，然后通过这些库函数间接地进行系统调用。
3、系统调用的背后过程
系统调用的背后过程如下图所示，它会把高级语言编译为汇编语言，然后进行一系列的指令操作，通过int(interrupt，中断)指令从用户态切换为核心态执行系统调用。
大体的流程为：传递系统调用参数——>执行陷入(int)指令(用户态下)——>执行系统调用相应服务程序(核心态下)——>返回用户程序
需要注意的是：
1、陷入(int)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，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；
3、陷入指令是唯一一个只能在用户态下执行，而不能在核心态下执行的指令。
接下来对系统调用这部分做一个简单的总结，如下图所示。
总结
以上就是操作系统——运行机制和体系结构、中断和异常、系统调用的所有内容了，这些是操作系统中比较基础的内容，重点理解本文中核心态和用户态的适用情况、内外中断的区别以及系统调用和库函数的区别！
参考视频：
操作系统的运行机制和体系结构
中断和异常
系统调用