操作系统的体系结构、中断以及系统调用

一、操作系统的运行机制和体系结构

指令：就是让处理器（CPU）能识别、执行的最基本的命令。

1、两种指令

2、两种状态

CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

3、两种程序

总结

4、操作系统的内核

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。

大内核和微内核

5、操作系统体系结构

总结

二、中断和异常

为了解决程序之间只能串行执行，系统资源利用率低的问题，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入了中断机制，实现了多道程序并发执行。

本质：发生中断就意味着需要操作系统的接入，开展管理工作。

1、中断的作用

（1）当中断发生时，CPU立即进入核心态

（2）当中断发生后，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

（3）对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生了中断，就意味着需要操作系统的介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权，有了中断，才能实现多道程序并发执行。

用户态、核心态之间的切换是如何实现的？

• 用户态 -> 核心态，是通过中断实现的，并且中断时是唯一途径。
• 核心态 -> 用户态，是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为 用户态。

2、中断的分类

另一种分类方式：

3、外中断的处理过程

（1）执行完每个指令后，CPU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（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）

（3）根据中断信号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，返回原进程继续往下执行

总结

三、系统调用

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，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

1、系统为什么要提供系统调用功能？

操作系统提供“系统调用”功能，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发出用户请求，操作系统会对各个请求进行协调管理。

2、系统调用的作用？

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。服务中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（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。

3、系统调用的分类

系统调用相关处理涉及到对系统资源的管理、对进程的控制，这些功能需要执行一些对特权指令才能完成，因此系统调用的相关处理需要在核心态下进行。

4、系统调用和库函数的区别

• 不涉及系统调用的库函数：如 “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

5、系统调用背后的过程

传递系统调用参数 --> 执行陷入指令（用户态） --> 执行系统调用相应服务程序（核心态） --> 返回用户程序

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，从而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，而不可在核心态执行的指令。

总结