操作系统运行机制

程序怎么运行？

高级语言-》汇编-》二进制代码，一条条指令执行

内核、应用程序

操作系统运行机制之：基于CPU的两种状态切换，实现用户程序和内核的切换

基于cpu两种状态（特权态和用户态）的切换。 PSW寄存器和中断。

两种CPU状态

CPU一般至少有 “内核态”和“用户态” 两个状态， 可能由PSW寄存器控制。

两种指令

内核作为管理者，允许执行一些特权指令。

用户程序只允许执行一些非特权指令。

CPU设计时，已经区分了特权指令与非特权指令。

CPU处于内核态时，允许执行特权指令。

两种应用程序

操作系统中运行着两类程序：内核程序，用户程序

CPU状态转换

开机时，cpu内核态，执行系统初始化： 开机完成后，cpu切换用户态，允许执行应用程序 对于非法事件、手动触发中断，都可以触发中断，cpu处理中断。

内核态-》用户态：PSW寄存器控制

用户态-》内核态：触发中断。

中断和异常

内中断（软中断）

外中断

中断发生时，打断（用户态）CPU上正在执行用户程序（非特权指令），（CPU进入内核态）执行特定的中断程序

内中断

内中断来源于cpu内部，由cpu执行 （有时也称异常）

• 主动执行 陷入指令 trap（非特权指令）
• 故障fault （缺页故障等）
• 终止abort （发生整数除以0等，需要终止程序）

外中断

外中断来源于cpu外部

• 时钟中断，可用于实现基于时间片的程序调度

• IO设备中断

中断机制的基本原理

检查中断信息：内中断在执行指令时回见检查是否有异常发生；外中断在每个指令执行某个时期检查是否有外中断到来。

中断向量表：地址数组，存储各中断处理程序地址的数组。

系统调用

系统调用： 操作系统提供给上层应用的接口

基于trap指令。

操作系统–提供系统调用–》 上层编程语言–库函数—》应用程序

为什么需要系统调用？作用：

多个进程需要并发访问资源（eg两个程序同时打印文件等）

系统调用分类（实际上就是把cpu的功能封装好提供给上层）： 设备管理：完成设备的请求、释放、启动等功能。 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除等功能。 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等功能。 进程通信：完成进程间的消息传递、信号传递等功能。 内存管理：完成内存的的分配、回收等功能。

参考：Linux系统调用进一步学习。

对共享资源（内存、IO操作、文件管理等）的操作等，都需要使用系统调用。

系统调用过程： 一般是应用程序使用，寄存器传参，trap陷入指令执行，执行内中断处理程序（处理trap异常）

引发系统调用是在用户态，执行系统调用（trap指令执行对应的异常处理程序）是在内核态，由操作系统执行。