1.4 操作系統的運行機制

目錄

1.4 操作系統的運行機制

1.4.1 內核程序&應用程序

1.4.2 特權指令&非特權指令

1.4.3 內核態&用戶態

1.4.4 操作系統的內核

1.4.5 小結

---

? 操作系統其實也是一種程序，程序的執行過程也就是CPU執行一行行機器指令的過程。區別于一般程序員開發的應用程序，實現操作系統的程序就是內核程序。

1.4.1 內核程序&應用程序

? 內核程序：實現操作系統的程序稱為內核程序，許多內核程序結合在一起便組成了操作系統內核。

? 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：作為系統資源的管理者，操作系統可以使用一些直接關系重大的指令（內存清零等），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劃分出了特權指令以及非特權指令，因此在執行這條命令前CPU就可以先判斷指令的內容。

1.4.3 內核態&用戶態

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

? 下面我們來講解一下，用戶態與內核態之間是如何相互進行變化的。

? 內核態-->用戶態：需要執行一條特權指令（指令內容是修改PSW寄存器狀態），此時內核態轉變為用戶態，CPU主動讓出使用權。

? 用戶態-->內核態：由“中斷”引發，當CPU檢測到中斷時，操作系統會強制將CPU變為內核態奪回CPU使用權，再執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“內核態”，操作系統內核程序先上CPU運行 ② 開機完成后，用戶可以啟動某個應用程序 ③ 操作系統內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” 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… ⑥ CPU發現接下來要執行的這條指令是特權指令，但是自己又處于“用戶態” ⑦ 這個非法事件會引發一個中斷信號 ⑧ “中斷”使操作系統再次奪回CPU的控制權 ⑨ 操作系統會對引發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 操作系統的內核

? 當我們剛開始使用操作系統的時候，會發現一些程序并不是必需的（記事本等），這些程序稱為操作系統的非內核功能，下圖是將操作系統進行了更進一步的劃分。

? 有人將內核劃分為大內核以及微內核，這兩種劃分在不同的時期各有優勢。下面用企業來類比一下操作系統：

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

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。