操作系统的运行机制、中断和异常、系统调用


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石可破也,而不可夺坚;丹可磨也,而不可夺赤。


操作系统

  • 一、操作系统的运行机制
    • 1.1内核程序
    • 1.2应用程序
    • 1.3内核态和用户态
    • 1.4内核态、用户态的切换
  • 二、中断和异常
    • 2.1中断的作用
    • 2.2中断的类型
      • 2.2.1内中断(也称“异常”)
      • 2.2.2外中断
    • 2.3中断机制的基本原理
  • 三、系统调用
    • 3.1什么是系统调用
    • 3.2系统调用与库函数的区别
    • 3.3什么功能要用到系统调用
    • 3.4系统调用的过程

一、操作系统的运行机制

  • 程序是如何运行的?
  • 一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令
  • 程序运行的过程就是CPU一条一条的机器指令的执行过程
  • “指令”就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令

1.1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(Kernel)”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,一个操作系统只要由内核就够了
  • 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

1.2应用程序

  • 在操作系统之上的程序就是应用程序,即普通的应用软件。
  • 应用程序只能使用:“非特权指令”,如:加法指令、减法指令等。

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还是应用程序?

1.3内核态和用户态

  • 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内核程序,此时可以执行非特权指令
  • CPU中有一个寄存器叫程序状态寄存器(PSW),其中有个二进制位,1表示“内核态”,0表示“用户态”。
  • 别名:内核态=核心态=管态
  • 用户态=目态

1.4内核态、用户态的切换

  • 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:中断引发,硬件自动完成变态过程,触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU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

二、中断和异常

2.1中断的作用

  • 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
  • “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
  • 如果没有“中断”机制,那么一旦应用程序上CPU执行,CPU就会一直运行这个应用程序

2.2中断的类型

2.2.1内中断(也称“异常”)

  • 与当前执行的指令有关,中断信号来源于CPU内部
    • 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
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  • 执行“陷入程序”,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
      • 1.陷阱、陷入(trap):由陷入指令引发,是应用程序故意引发的
      • 2.故障(fault):由错误条件引起的,可能被内核程序修复。
    • 内核程序修复故障后会把CPU使用权还给应用程序,让他继续执行下去,如:缺页故障
      • 3.终止(abort):由致命错误引起,内核程序无法修复该错误,因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的程序,而是直接终止该应用程序,如整数除0、非法使用特权指令

2.2.2外中断

  • 与当前执行的指令无关,中断信号来源于CPU外部
    • 1.时钟中断 – – 由时钟部件发来的中断信号
      • 时钟部件每隔一个时间片(如50ms)会给CPU发送一个时钟中断信号
    • 2.I/O中断 – – 由输入/输出设备发来的中断信号
      • 当输出任务完成时,向CPU发送中断信号

2.3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。
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三、系统调用

3.1什么是系统调用

  • “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,应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务。
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3.2系统调用与库函数的区别

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普通应用程序可直接进行系统调用,也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用,有的不涉及
编程语言向上提供库函数,有时会将系统调用封装成库函数,以隐藏系统调用的细节,使程序员编程更方便
操作系统向上提供系统调用,使得上层程序能请求内核的服务
裸机
  • 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

3.3什么功能要用到系统调用

  • 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。

3.4系统调用的过程

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  • 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

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