第一章 计算机系统概述

操作系统的运行机制

操作系统的运行机制，也就是操作系统在计算机上是怎样运行的问题。

操作系统的运行机制

• 两种指令
  • 特权指令
  • 非特权指令
• 两种处理器状态
  • 核心态
  • 用户态
• 两种程序
  • 内核程序
  • 应用程序

前提知识：程序是如何运行的

  我们平时写的C语言代码，要先经过编译器“翻译”为机器能读懂的机器指令（二进制编码）。

  C语言写的简单的2行代码，编译成机器指令，就会形成多条机器指令（此处是瞎编的01编码，反正都看不懂）。

  虽然我们看不懂这些二进制编码，但是，对于CPU来说，对于计算机来说，这样的二进制代码才是它能够看得懂的语言。

  程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程。

  这里提到的“指令”（机器指令），就是能让CPU处理、识别的最基本命令。（比如让CPU执行一个加法操作、执行一个赋值操作等等）

  很多人习惯把Linux、Windows的“小黑框”中使用的命令（比如ls、mkdir）也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”。注意与此处的“指令”区别开。此处的“指令”指的是二进制机器指令。

内核程序与应用程序

  应用程序就是平时跑在操作系统之上的，我们平时很熟悉的、很喜欢用的那些程序，比如QQ、微信等。

  我们普通程序员写的程序就是“应用程序”，是跑在操作系统之上的。

  但是还有一批人，比如微软、苹果，开发操作系统的这帮人写的程序，就是操作系统的内核程序。这帮人写了很多内核程序，这么多内核程序，最终组合成了操作系统内核，或简称“内核（Kernel）”。

  内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分。

  之前说过，操作系统最重要的一个角色，是他要作为系统资源的管理者，而操作系统对系统资源的管理工作其实就是在内核部分实现的。甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了。（例如：Docker→仅需Linux内核）

  用户平时使用到的操作系统的功能，并不是都在内核中的，例如图形化用户界面GUI。即使没有GUI，我们依然可以通过命令行的方式来使用操作系统。所以操作系统的内核中包含的是操作系统的最重要、最核心、最必不可少的那些功能。

特权指令与非特权指令

  既然操作系统内核是系统资源的管理者，那么它作为管理者这样一个角色，有的时候就有可能让CPU执行一些比较特殊的指令，比如“内存清零指令”。这种指令会对其他程序的运行造成很严重的影响，因此，像这样的“特权指令”，就只允许“管理者”——即操作系统内核来使用。

  假如CPU要执行的一段程序是内核程序，那这些指令当中，可以出现特权指令。

  如果这段程序是普通的应用程序，那么，这其中就不应该包含特权指令，而只能使用非特权的指令，如：加减乘除运算指令。

  CPU在设计和生产时，就已经划分了哪些指令是特权指令、哪些指令是非特权指令，因此CPU在拿到一条指令的时候，它就可以区分出这到底是特权指令还是非特权指令了。

内核态与用户态

  此时有一个问题：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？

  为了让CPU能够区分此时运行的程序是内核程序还是应用程序，CPU被划分为两种状态：“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应用程序，此时只能执行非特权指令。

  怎么看CPU当前到底处于哪种状态呢？

  CPU中会有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”。（有的CPU也可能1和0表示状态是反过来的，这无所谓了，知道通过这个方法对CPU状态能够进行识别就可以）

  别名：内核态 = 核心态 = 管态； 用户态 = 目态。

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  接下来，要探讨的问题是：CPU怎么实现这两个状态之间的切换？

  一个例子：

  ①刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行。比如系统初始化的工作就是由内核当中的一些程序来完成的，所以此时也肯定处于内核态。

  ②开机完成后，用户就可以启动某应用程序。但是问题是，CPU还正处于内核态，在执行内核程序中的指令，怎么办？此时，如果操作系统的内核，它想让用户的应用程序开始运行的话，那么这个内核程序就需要执行一条特权指令，这个特权指令会把PSW的标志位，从内核态转变为用户态，就完成了CPU状态的切换。

  ③操作系统内核程序会在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行，并切换至“用户态”。

  ④应用程序运行在“用户态”。CPU会执行该程序一条条的指令。

  ⑤此时，如果该程序出现意外，例如一个黑客在该应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统。

  ⑥CPU其实在读入这条指令的时候，它就已经知道，这条指令是一条特权指令，但是CPU又根据自己的PSW寄存器，发现自己是处于“用户态”。因此，CPU目前知道这是一个应用程序，想要执行的是一条特权指令，那么这种事情是坚决不能进行的，是一个非法事件。

  ⑦这个非法事件会引发一个中断信号。当CPU检测到中断信号后，会立即强行变为“核心态”，同时拒绝执行这条特权指令，并停止运行当前的应用程序，转而会执行一个处理中断信号的内核程序。

  ⑧“中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权。

  ⑨内核程序会对这一“中断”进行相应处理，等处理完后，它才会把CPU的使用权再重新还给别的应用程序。

可以看出，CPU从内核态→用户态，其实是修改了一下PSW的标志位，通过执行一条特权指令把PSW的标志位置为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。之后，CPU上就可以运行应用程序。

而CPU从用户态→内核态，是由“中断”引发的，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的使用权。

  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。但有一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。

小结