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第一章 计算机系统概述：操作系统运行环境和操作系统结构
1.3 操作系统运行环境
一、CPU 执行的程序类型
操作系统内核程序：
- 是唯一能使用特权指令的程序，属于计算机底层软件，管理系统的各种资源。
- 核心功能： 时钟管理、中断机制（仅小部分属于内核）；
- 原语： 最基础的可调用公共小程序；
- 系统资源管理： 进程管理、存储器管理、设备管理。
用户自编程序（应用程序）：
- 不允许执行特权指令。
二、运行模式切换（通过 PSW 程序状态字控制器实现）
两种状态：
- 用户态（目态）；
- 核心态（管态、内核态）—— 需与“发生”类概念区分，核心态下可执行特权指令（如输入/输出指令、时钟指令、系统调用指令等）。
状态切换方式：
- 内核态→用户态：执行一条修改 PSW 的特权指令；
- 用户态→内核态：由中断引起，硬件自动完成（这是用户态进入内核态的唯一途径）。
三、中断和异常
中断概念：
- 使操作系统内核强行夺回 CPU 控制权，让 CPU 从用户态切换到内核态。
中断分类：
| 类型 | 子分类 | 触发原因 & 处理 | 补充说明 |
|---|---|---|---|
| 内中断（异常） | 访管 / 自陷（trap） | 由陷入指令引发，用于调用内核功能（如缺页故障、非法操作码） | 属于软件中断（程序性异常） |
| 故障（fault） | 由错误条件引发，修复后可继续执行程序 | ||
| 终止（abort） | 由指令错误引发，无法修复，会终止应用程序 | ||
| 外中断（狭义中断） | 时钟中断 | 由时钟信号触发 | 属于硬件中断 |
| I/O 中断请求 | 由 I/O 设备请求触发 | 注：外部中断时，PC 值由中断隐指令自动保存，通用寄存器内容由 OS 保存。 |
四、中断机制的基本实现原理
检查中断信号：
- 内中断：CPU 执行指令时检查是否有异常；
- 外中断：每个指令周期末尾，CPU 检查是否有外中断信号。
找到中断处理程序：
- 通过中断向量表实现（与子程序调用的区别：中断处理需同时保存断点和 PSW 内容）。
五、系统调用
概念：
- 操作系统提供给应用程序的接口，使应用程序能请求内核服务（只能通过用户程序间接使用）。
系统调用与库函数的区别：
- 部分库函数是系统调用的封装；
- 部分库函数不依赖系统调用。
使用场景：
- 设备管理、文件管理、进程管理、进程控制、内存管理。
执行过程：
- 用户态传参 → 用户态陷入指令 → 核心态系统调用 → 返回用户态应用程序。
1.4 操作系统结构
计算机系统的层次结构（从下到上）：
- 裸机（纯硬件）；
- 操作系统内核（时钟管理、中断处理、原语等）；
- 操作系统功能层（进程管理、存储器管理、设备管理等）；
- 非内核功能（如 GUI）；
- 应用程序（软件）；
- 用户。
注：
- 内核中的原语是具有原子性的特殊程序，运行时不可被中断；若仅将原语层视为内核，则称为微内核。
操作系统内核框架分类
| 结构类型 | 核心特点 | 优点 | 缺点 | 典型案例 |
|---|---|---|---|---|
| 宏内核（大内核、单内核） | 系统功能都在内核中，运行于核心态 | 高性能，内核内部功能可直接调用 | 内核代码庞大、结构混乱，维护困难；某功能出错可能导致系统崩溃 | Windows、Android、iOS |
| 微内核 | 仅将最基础功能（时钟、中断、原语、进程通信等）放在内核中，其余功能在核外 | 结构清晰、方便维护、可靠性高 | 需频繁在核心态与用户态间切换，性能低 | Windows NT |
| 分层法 | 内核分为多层，每层仅能调用紧邻的底层功能 | 结构清晰，便于调试和验证；易于扩充和维护 | 设计困难，难界定层边界；效率低，执行时间长 | - |
| 模块化 | 内核划分为主模块 + 可加载模块，模块间协作 | 逻辑清晰、易于维护；可动态加载模块；模块间直接调用，效率高 | 模块太多，接口难定义；调试困难 | - |
| 外核 | 内核负责进程调度等，外核负责硬件资源的分配、回收、保护 | 用户可灵活使用硬件资源，减少虚拟资源映射层，提高效率 | 降低系统一致性，系统复杂度增加 | - |
京公网安备 11010802022788号
