1.3_1 操作系统的运行机制

（一）预备知识：程序是如何运行的

  “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。

  注：很多人习惯把Linux、Windows、MacOS等的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实那是“交互式命令接口”。

  本节所指的“指令”指的就是CPU读得懂的、二进制机器指令。

（二）内核程序 vs 应用程序

  我们普通程序员写的、跑在操作系统之上的，就是“应用程序”。比如QQ、微信。

  还有一些人，比如微软、苹果有一帮人负责实现操作系统的，他们写的是“内核程序”。由很多内核程序组成了“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。

  操作系统最主要的角色，就是系统资源的管理者。而操作系统对系统资源的管理，也就是通过内核来实现的。

  甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了。内核中都是操作系统最重要、最核心、最必不可少的功能。

  操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI。不过这些功能也可以没有，例如没有GUI，还可以用命令行。

（三）特权指令 vs 非特权指令

  操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”——操作系统内核来使用。

  应用程序只能使用“非特权指令”，如：加法指令、减法指令等。

  在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

（四）内核态 vs 用户态

  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 or 应用程序？

  CPU有两种状态，“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。

  CPU中有一个寄存器叫“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”。

别名：内核态 = 核心态 = 管态。用户态 = 目态。

内核态、用户态的切换

  问题：内核态、用户态是怎样来回切换的？

举例

1.刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行。

2.开机完成后，用户可以启动某个应用程序。

此时就会有一个问题：刚开机时，CPU是内核态，现在想要运行应用程序，肯定得先从内核态切换到用户态才行。

3.操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU，让该应用程序上CPU运行。

具体做法：操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把PSW的标志位设置为“用户态”。

4.应用程序在“用户态”下运行。

5.此时，如果该应用程序中被植入了一条特权指令、企图破坏系统……？

6.CPU会发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”。

7.这个非法事件会引发一个中断信号。

具体过程：CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并停止运行当前的应用程序（拒绝运行该应用程序中的这一特权指令），转而运行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.操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序。

总结

  1）内核态 —> 用户态：执行一条特权指令——修改PSW标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。

  2）用户态 —> 内核态：由“中断”引发，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。

  注：除了“非法使用特权指令”之外，还有很多事件也会触发中断信号。总之，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。

总结

注：

1.都是高频考点，很重要。

2.到这里不太理解也没关系，先往后学习，随着后面的学习，对此处相关知识的理解会逐渐加深。