1.4 操作系統(tǒng)的運行機制

目錄

1.4 操作系統(tǒng)的運行機制

1.4.1 內(nèi)核程序&應用程序

1.4.2 特權指令&非特權指令

1.4.3 內(nèi)核態(tài)&用戶態(tài)

1.4.4 操作系統(tǒng)的內(nèi)核

1.4.5 小結

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? 操作系統(tǒng)其實也是一種程序，程序的執(zhí)行過程也就是CPU執(zhí)行一行行機器指令的過程。區(qū)別于一般程序員開發(fā)的應用程序，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的程序就是內(nèi)核程序。

1.4.1 內(nèi)核程序&應用程序

? 內(nèi)核程序：實現(xiàn)操作系統(tǒng)的程序稱為內(nèi)核程序，許多內(nèi)核程序結合在一起便組成了操作系統(tǒng)內(nèi)核。

? 應用程序：普通程序員借助編程工具以及高級語言所完成的程序叫做應用程序。

1.4.2 特權指令&非特權指令

? 特權指令：作為系統(tǒng)資源的管理者，操作系統(tǒng)可以使用一些直接關系重大的指令（內(nèi)存清零等），這些指令被稱為特權指令，而且應用程序沒有辦法直接使用特權指令，這保證了操作系統(tǒng)的安全。

? 非特權指令：應用程序可以使用的指令，如加減乘除指令等。

? CPU在設計的時候便已經(jīng)劃分出了特權指令以及非特權指令，因此在執(zhí)行這條命令前CPU就可以先判斷指令的內(nèi)容。

1.4.3 內(nèi)核態(tài)&用戶態(tài)

? CPU有兩種狀態(tài)：內(nèi)核態(tài)（或稱核心態(tài)，管態(tài)）以及用戶態(tài)（目態(tài)）。當CPU處于內(nèi)核態(tài)時，說明此時正在運行的是內(nèi)核程序，此時可以執(zhí)行特權指令；當CPU處于用戶態(tài)時，說明此時正在運行的是應用程序，此時只能執(zhí)行非特權指令。在CPU中有一個寄存器叫做程序狀態(tài)寄存器（PSW），該寄存器的01狀態(tài)來表示此時處于內(nèi)核態(tài)還是用戶態(tài)。

? 下面我們來講解一下，用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間是如何相互進行變化的。

? 內(nèi)核態(tài)-->用戶態(tài)：需要執(zhí)行一條特權指令（指令內(nèi)容是修改PSW寄存器狀態(tài)），此時內(nèi)核態(tài)轉變?yōu)橛脩魬B(tài)，CPU主動讓出使用權。

? 用戶態(tài)-->內(nèi)核態(tài)：由“中斷”引發(fā)，當CPU檢測到中斷時，操作系統(tǒng)會強制將CPU變?yōu)閮?nèi)核態(tài)奪回CPU使用權，再執(zhí)行與中斷有關的一系列操作。

? 下面我們用一個小栗子來解釋一下這個過程：

① 剛開機時，CPU 為“內(nèi)核態(tài)”，操作系統(tǒng)內(nèi)核程序先上CPU運行 ② 開機完成后，用戶可以啟動某個應用程序 ③ 操作系統(tǒng)內(nèi)核程序在合適的時候主動讓出 CPU，讓該應用程序上CPU運行 ④ 應用程序運行在“用戶態(tài)” ⑤ 此時，一位黑客在應用程序中植入了一條特權指令，企圖破壞系統(tǒng)… ⑥ CPU發(fā)現(xiàn)接下來要執(zhí)行的這條指令是特權指令，但是自己又處于“用戶態(tài)” ⑦ 這個非法事件會引發(fā)一個中斷信號 ⑧ “中斷”使操作系統(tǒng)再次奪回CPU的控制權 ⑨ 操作系統(tǒng)會對引發(fā)中斷的事件進行處理，處理完了再把CPU使用權交給別的應用程序

1.4.4 操作系統(tǒng)的內(nèi)核

? 當我們剛開始使用操作系統(tǒng)的時候，會發(fā)現(xiàn)一些程序并不是必需的（記事本等），這些程序稱為操作系統(tǒng)的非內(nèi)核功能，下圖是將操作系統(tǒng)進行了更進一步的劃分。

? 有人將內(nèi)核劃分為大內(nèi)核以及微內(nèi)核，這兩種劃分在不同的時期各有優(yōu)勢。下面用企業(yè)來類比一下操作系統(tǒng)：

內(nèi)核就是企業(yè)的管理層，負責一些重要的工作。只有管理層（內(nèi)核程序）才能執(zhí)行特權指令，普通員工（應用程序）只能執(zhí)行非特權指 令。用戶態(tài)、核心態(tài)之間的切換相當于普通員工和管理層之間的工作交接。 大內(nèi)核：企業(yè)初創(chuàng)時體量不大，管理層的人會負責大部分的事情。優(yōu)點是效率高；缺點是組織結構混亂，難以維護。 微內(nèi)核：隨著企業(yè)體量越來越大，管理層只負責最核心的一些工作。優(yōu)點是組織結構清晰，方便維護；缺點是效率低。

1.4.5 小結

需要注意的是：

? 特權指令只能在核心態(tài)下執(zhí)行； 內(nèi)核程序只能在核心態(tài)下執(zhí)行。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统（四）操作系统的运行机制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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