二 操作系统的运行机制

author: spongehah from:hut

作者个人博客：https://blog.hahhome.top/

参考视频: B站王道考研计算机操作系统

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1 预备知识

1.1 内核程序和应用程序

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1.2 程序是如何运行的

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1.3 特权指令与非特权指令

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只有内核程序才能调用特权指令，而应用程序只能调用非特权指令

1.4 内核态和用户态

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★内核态和用户态的切换

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刚开机，CPU为内核态，想要切换为用户态，执行内核程序中的一条特权指令，将CPU切换为用户态，才能运行应用程序

当应用程序被篡改含有特权指令时怎么办？

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应用程序含有假特权指令时，CPU识别出该指令为特权指令，但是又判断自己处于用户态，于是会发出一个中断信号，强制将状态变回核心态夺回CPU控制权，然后终止该应用程序的运行，将CPU分配给其它程序

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1.5 小总结

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2 中断和异常

2.1 中断的作用

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作用：“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运行，CPU就会一直运行这个应用程序（实现并发）

2.2 中断的分类

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  1. 内中断 也叫异常
  2. 外中断 俗称中断，狭义上的中断

1）内中断（异常）

与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部

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例1：即预备知识中 ★内核态和用户态的切换 部分的举例

例2：非法的

例3：陷入指令（也叫Trap指令，访管指令）是非特权指令，是实现系统调用的途径（后面会讲）

时刻记住“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

2）外中断（中断）

狭义上的中断

与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部

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例1：实现并发运行；在时钟部件每隔一个固定时间片，就会发出一个外部中断信号，让CPU执行处理时钟中断的内核程序后执行另一个应用程序

例2：设备的中断信号，告诉CPU任务完成

2.3 中断机制的基本原理

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中断向量表

2.4 中断的处理过程

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  1. 关中断（硬件完成）：CPU响应中断后，应该拒绝响应更高级的中断源的中断请求
  2. 保存断点（硬件完成）：为了之后能重新恢复执行这个程序，需要将原来的程序的断点（即程序计数器C)保存起来
  3. 中断服务程序寻址（硬件完成）：取出中断服务程序的入口地钟址送到程序计数器PC
  4. 保存现场和屏蔽字（中断程序完成）：进入程序中断服务程序后，首先要保护现场，现场信息一般是指程序状态字寄存器PSW和某些通用寄存器的内容
  5. 开中断（中断程序完成）：允许更高级中断请求得到响应，想象一下多道程序设计的并发执行，CPU交替执行内存里面的各个程序
  6. 执行中断服务程序（中断程序完成）：这是中断请求的目的，完成某些中断后的操作
  7. 关中断（中断程序完成）：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断，完成中断后的提作之后，需要恢复现场，不希望被打扰
  8. 恢复现场和屏蔽字（中断程序完成）：将现场和屏蔽字恢复到原来的状态
  9. 开中断->中断返回（中断程序完成）：中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序

2.5 小总结

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3 系统调用

3.1 什么是系统调用

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程序接口，即系统调用，用户通过程序间接调用，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 系统调用的用途

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要实现系统调用需要通过陷入指令

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3.3 系统调用的过程

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系统调用的过程：

1 应用程序会先进行传参（系统调用时会使用到的参数）

2 应用程序执行陷入指令（也叫Trap指令，访管指令），主动将CPU控制权还给操作系统，并执行系统调用的入口程序

3 根据参数处理系统调用的内核程序（发生在内核态）

3.4 小总结

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4 操作系统的体系结构

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4.1 操作系统的内核

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4.2 大内核与微内核

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大内核即包含了进程管理、存储器管理、设备管理等不会直接涉及硬件的功能

微内核只包含与硬件关联较紧密的模块

大内核与微内核的对比（优缺点）

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大内核：性能高，但是结构混乱，难以维护

微内核：性能低，但是结构清晰，方便维护

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4.3 其它体系结构

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带黄色星号代表旧重点，红色星号表示新重点

1）分层结构

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优点：

  • ★1.便于调试和验证，自底向上逐层调试验证
  • 2.易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰因定

缺点：

  • 1.仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界
  • ★2.效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长

2）模块化

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优点：

  • 1模块间逻辑清涵易于维护，确定模块偏接口后即可多模块同时开发
  • ★2.支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核)，增强OS适应性
  • ★3.任何模块都可以直接调用其他模块，无需深用消息传递进行通信，效事高

缺点：

  • 1.模块间的接口定义未必合理、实用
  • 2.模块间相互依懒，更难调试和验证

3）外核

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优点：

  • ★1.外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵话的使用硬件资源
    • 应用程序可以向外核申请连续的存储空间（就不用再寻址进行随机访问），并维护这个空间
  • ★2.减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率
    • 就不用再寻址进行随机访问

缺点：

  • 1.降低了系统的一致性
  • 2.使系统变得更复余
    • 维护连续空间有额外开销，需要不允许该程序访问分配空间外的地址，也不允许其它程序访问分配空间内的地址

5 操作系统引导

  • 什么是操作系统引导
  • 磁盘里边有哪些相关数据？
  • 操作系统引导的过程

操作系统引导(boot)一一开机的时候，怎么让操作系统运行起来？

5.1 开机的时候，怎么让操作系统运行起来？

安装操作系统之后：

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安装好操作系统分好区后，磁盘表现为以上形式

5.2 开机过程

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1 ROM中的记录是永久的，不会随着断电消失，开机时首先取指令，执行BIOS中的ROM引导程序

2 将磁盘主引导记录MBR读到内存RAM，执行磁盘引导程序，扫描分区表

3 从活动分区（又称主分区，即安装了操作系统的分区，即C盘）读入分区引导记录，执行其中的程序

4 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（即启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作

Windows举例：

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6 虚拟机

传统计算机：

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6.1 两类虚拟机

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两类虚拟机：

  • 直接运行在硬件上
  • 运行在宿主操作系统上

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