一、操作系统的运行机制

知识框图：

（一）程序

内核程序：内核程序是操作系统的核心部分，需要在内核模式下运行，负责管理计算机的硬件资源，如处理器、内存、存储设备和输入输出设备。内核程序还负责调度和管理进程，确保系统的稳定性和安全性。

内核程序运行在最高的权限级别，因为它们需要直接与硬件交互，管理内存和调度进程等。内核程序的错误可能会导致整个系统的崩溃。

应用程序：应用程序是用户直接使用的软件，它们提供各种服务和功能，如文本处理、图像编辑、游戏、网页浏览等。应用程序通常运行在用户的账户下，为用户提供友好的界面和操作方式。

为了保护系统的稳定性和用户的安全，应用程序通常运行在较低的权限级别。它们不能直接访问硬件资源或执行可能会影响系统稳定性的操作。

（二）处理器状态

内核态：也称核心态，在这一状态时用户运行内核程序，只能执行特权指令。

用户态：在这一状态时用户运行应用程序，只能执行非特权指令。

（三）指令

指令：CPU能识别、执行的最基本指令

程序的运行实质上就是CPU执行一条一条机器指令的过程。

特权指令：操作系统内核为管理员，需要CPU执行如内存清零等影响重大的指令，只允许操作系统内核来实现。

非特权指令：用户在使用应用程序过程中执行的指令

（四）用户态、内核态转换

1.用户态下的文档编辑：
用户在文字处理软件中编辑文档，如输入文字、调整格式等。这些操作都在用户态下进行，因为它们不涉及直接的硬件操作，也不需要操作系统的特殊权限。

2.发起打印请求：
当用户选择打印文档时，文字处理软件会尝试执行一个系统调用，这是一个特殊的指令，用于请求操作系统内核提供的服务。

3.触发中断并转换至内核态：
当系统调用被执行时，CPU会识别这一指令并触发一个中断。这个中断会导致CPU停止当前用户态下的执行流程，并将控制权转交给操作系统内核。此时，CPU的运行状态从用户态转换到内核态。

4.内核态下的打印任务处理（状态转换的单独步骤）：
在内核态下，操作系统执行以下操作：

1. 验证用户权限，确保用户有权执行打印操作。
2. 调用打印机驱动程序，将文档内容发送到打印机。
3. 管理打印机硬件，确保数据正确传输并完成打印任务。

5.状态转换回用户态：
打印任务完成后，操作系统将CPU的运行状态从内核态切换回用户态，允许用户继续在文字处理软件中进行其他操作。

二、中断与异常

（一）中断概念

中断：指在程序执行过程中遇到急需处理的事件时，暂时中止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回断点或调度其他程序执行的过程

中断让操作系统内核夺回CPU使用权

中断让CPU从用户态转变为内核态

（二）中断源分类

外中断
又称中断或异步中断，来自处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘中断、它机中断和外部设备中断（与指令无关）

内中断
又称异常或同步中断，来自处理器内部的中断信号，通常实在由于在程序执行过程中，发现与当前指令关联的、不正常的或错误的事件。（与指令有关）

可细分为：

1. 访管中断：通常发生在用户态程序尝试执行特权指令时。
   当用户态程序需要执行特权指令时，它会通过一个特殊的系统调用指令来请求操作系统内核代为执行。操作系统内核会响应这个请求，暂时挂起当前运行的用户程序，然后以内核态执行相应的操作。

2. 硬件故障中断：指由于硬件组件发生故障而导致的中断。
   当CPU检测到内存错误、硬盘故障或其他硬件问题时，它会触发一个中断信号，通知操作系统有一个硬件故障发生。

3. 程序性异常：通常是由程序执行过程中的错误或异常情况引起的。
   包括算术溢出、非法指令、内存访问违规等。当这些异常发生时，CPU会暂停当前的程序执行，并通过一个中断信号将控制权转交给操作系统。

三、系统调用

系统调用是操作系统提供给用户程序的一种接口，它允许用户程序请求操作系统内核提供的服务。

这些服务包括文件操作、网络通信、进程管理等，通常是用户程序无法直接执行的底层操作。

系统调用充当了用户程序与操作系统内核之间的桥梁，确保了系统的安全性和资源的有效管理。

（一）系统调用分类

（二）系统调用过程

过程解读：

1. 一个程序运行在用户态，CPU执行指令
2. 需要进行系统调用时，CPU接受到传参指令（可能有多条），CPU在寄存器中存储传过来的参数，根据传递参数选择进行哪种类型的系统调用。
3. 在用户态下，应用程序执行陷阱指令，CPU产生内中断（系统调用入口）。
4. 进入内核态，处理系统调用的内核程序。
5. 执行完成后，返回用户态执行后续指令。