第一章 操作系统的运行环境

基础概念

相关提炼内容见 os-basics。

操作系统的运行机制

程序分类

• 内核程序：执行特权指令
  • 特权指令：指计算机中不允许被用户直接使用的指令
• 应用程序
  • 非特权指令：应用程序可以使用的指令
• 内核程序 是 应用程序 的管理程序

CPU 状态

用户态 / 目态 user mode

• 可以在用户态下执行的指令
  • 读时钟指令（置时钟不行）
  • 取数指令
  • 寄存器清零指令
  • 算术运算
  • 访管指令
    • 访管中断
      • 访管指令是一条可以在用户态下执行的指令。在用户程序中，因要求操作系统提供服务而有意识地使用访管中断，从而产生一个中断事件（自愿中断），将操作系统转换为核心态，称为访管中断

核心态

• 只能在核心态执行的指令―输入/输出指令 系统调用（广义指令）
• CPU 状态之间的转换
  • 用户态 —> 内核态―中断、异常、访管指令
  • 内核态 —> 用户态―设置程序状态字

大多数操作系统的内核分为 4 方面内容

时钟管理

中断机制

原语 Atomic Operation

• 处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分
• 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（主要从系统安全性和便于管理考虑）
• 这些程序的运行时间较短

系统控制的数据结构及处理

• 进程管理：进程状态管理、进程调度和分配、创建与撤销进程控制块等
• 存储器管理：存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等
• 设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等

中断和异常的概念

• 中断和异常的定义
  • 中断（Interruption）也称外中断，指来自 CPU 执行指令以外的事件的发生，如设备发出的 I/O 结束中断或时钟中断
  • 异常（Exception）也称内中断、例外或陷入（trap），指源自 CPU 执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令，比如访管指令
• 中断处理的过程 ↓
  1. 关中断
  2. 保存断点：程序计数器 PC
  3. 中断服务程序寻址：程序状态字寄存器 PSWR
  4. 保存现场和屏蔽字
  5. 开中断
  6. 执行中断程序服务
  7. 关中断
  8. 恢复现场和屏蔽字
  9. 开中断、中断返回
  • 1-3 步是在 CPU 进入中断周期后，由硬件自动（中断隐指令）完成
  • 4-9 步由中断服务程序完成
• 系统调用
• 设备管理
• 文件管理
• 进程控制
• 进程通信
• 内存管理