手撕408|操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境(3)

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在梳理本節(jié)的知識(shí)點(diǎn)之前，我們首先來(lái)搞懂指令和代碼的區(qū)別。

所謂代碼，其實(shí)就是高級(jí)程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)中的代碼，類(lèi)似：C語(yǔ)言代碼、Python代碼。而指令其實(shí)是機(jī)器語(yǔ)言層面的一條條指令，計(jì)算機(jī)通過(guò)一條條指令來(lái)進(jìn)行一步步操作。

操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

操作系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候,其實(shí)分為兩種狀態(tài)：核心態(tài)(管態(tài)、內(nèi)核態(tài))和用戶態(tài)(目態(tài))。

其次在CPU中執(zhí)行的程序，可以大致分為：內(nèi)核程序和用戶程序（用戶自編程序）。

它們的區(qū)別在于內(nèi)核程序可以執(zhí)行特權(quán)指令（不允許用戶直接使用的指令），例如：關(guān)中斷、清內(nèi)存、置時(shí)鐘、分配系統(tǒng)資源、修改段、頁(yè)表以及修改訪問(wèn)權(quán)限。

而用戶程序只能執(zhí)行非特權(quán)指令，也就是說(shuō)只能執(zhí)行不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的操作。

另外核心態(tài)可以執(zhí)行特權(quán)、非特權(quán)指令，用戶態(tài)則只能執(zhí)行非特權(quán)指令。

OS內(nèi)核

1、時(shí)鐘管理：管理所有與時(shí)間相關(guān)的操作，包括給用戶提供正確的時(shí)間、以及CPU的時(shí)鐘管理

2、中斷機(jī)制：多道程序設(shè)計(jì)中最重要的功能。

3、原語(yǔ)：原語(yǔ)是底層可被公開(kāi)調(diào)用的小程序，其特點(diǎn)：最接近硬件的部分、具有原子性（一旦執(zhí)行便一氣呵成執(zhí)行完畢，不能被中斷）、運(yùn)行時(shí)間短，調(diào)用頻繁。

4、對(duì)系統(tǒng)資源管理的功能

中斷和異常

中斷和異常通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，一旦發(fā)生立即進(jìn)入核心態(tài)，將CPU控制權(quán)立馬交還給操作系統(tǒng)。

中斷也叫外中斷，它的信號(hào)干預(yù)來(lái)自CPU外部，例如有IO請(qǐng)求、人工干預(yù)。

異常也叫內(nèi)中斷(不能被CPU屏蔽），它的信號(hào)來(lái)源于CPU內(nèi)部，主要有

陷阱、陷入(自愿中斷，如系統(tǒng)調(diào)用)、故障（硬件故障）、終止（錯(cuò)誤終止）。

系統(tǒng)調(diào)用

既然特權(quán)指令只能在核心態(tài)執(zhí)行，那么用戶如果想要有需要執(zhí)行特權(quán)指令的業(yè)務(wù)場(chǎng)景怎么辦呢？這是系統(tǒng)調(diào)用就發(fā)揮了作用。

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給用戶與資源有關(guān)的操作。

用戶進(jìn)程在目態(tài)可以通過(guò)訪管指令來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用程序，也就是OS提供給用戶的接口，通過(guò)硬件中斷機(jī)制將目態(tài)切為管態(tài)，執(zhí)行完后再把結(jié)果返回給目態(tài)。具體操作如下圖：

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