1-计算机系统概述（CO）

Posted 2023-03-31 卡__卡

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了1-计算机系统概述（CO）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

计算机组成原理：实现计算机体系结构所体现的属性，具体指令的实现对程序员透明，即研究如何用硬件实现所定义的接口

计算机系统=硬件（计算机的实体，如主机、外设）+软件（由具有各类特殊功能的程序组成）

软件
（1）系统软件：用来管理整个计算机系统。如操作系统、数据库管理系统、标准程序库（库函数）、网络软件（实现TCP/IP协议的软件模块）、语言处理程序（高级语言→机器语言）、服务程序（调试代码的调试程序）
（2）应用软件：按任务需要编制成的各种程序

一.计算机发展历程

1.计算机的四代

（1）第一代计算机：电子管时代
使用机器语言编程，容量小、体积大、成本高、性能低

（2）第二代计算机：晶体管时代
速度提升，软件使用高级语言，形成操作系统雏形

（3）第三代计算机：中小规模集成电路时代
使用半导体存储器，出现分时操作系统，高级语言开始发展

（4）第四代计算机：超大规模集成电路时代
微处理器出现，并行、流水线、高速缓存、虚拟存储器出现

2.摩尔定律

揭示了信息技术进步的速度。集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，整体性能也将提升一倍

二.计算机硬件的基本组成

（一）早期冯·诺依曼机

冯·诺依曼提出了存储程序的概念。“存储程序”是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

特点：
1.计算机硬件系统组成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
2.指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访
3.指令和数据均用二进制码表示
4.指令由操作码和地址码组成。操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址
5.指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
6.早期的冯·诺依曼以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据

早期冯·诺依曼模型机的CPU包含算术逻辑单元ALU、通用寄存器组GPRs，标志寄存器、控制器、指令寄存器IR、程序计数器PC、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR

（二）现代计算机的组织结构

随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理、加工的信息量也与日俱增，大量I/O设备的速度和CPU的速度差距悬殊，故以运算器为中心的结构不能满足计算机发展的要求。现代计算机已发展为以存储器为中心，使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率。

（三）计算机的功能部件

1.输入设备

将程序和数据以机器能识别和接收的信息形式输入计算机。如键盘、鼠标、扫描仪、摄像机等。

2.输出设备

将计算机处理的结果以人们能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。如显示器、打印机

3.存储器

计算机的存储部件，用来存放程序和数据。
存储器分为主存储器（主存）和辅助存储器（辅存）。CPU能够直接访问的存储器是主存，而辅存用于帮助主存记忆更多的信息。辅存中的信息必须调入主存后，才能被CPU访问。

主存组成部分：
（1）存储体：存放二进制信息。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码。因此存储单元可存储一串二进制代码，这串代码称为存储字。这串代码的位数称为存储字长。

（2）地址寄存器MAR：存放地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。MAR位数反应存储单元的个数，如4位MAR，则有2⁴个存储单元
（3）数据寄存器MDR：用于暂存要从存储器中读/写的信息。MDR的位数=存储字长。如MDR16位，则每个存储单元可以存放16bit，即一个字(word)(字≠字节)的大小是16bit
（4）时序控制器逻辑：用于产生存储器操作需要的各种时序信号

注：在现代CPU中，MAR、MDR、Cache都是存在于CPU中的

4.运算器

运算器的核心是算数逻辑单元ALU，其功能是进行算术、逻辑运算。（算术运算：加减乘除；逻辑运算：与或非）

运算器组成：
（1）若干通用寄存器。用于暂存操作数和中间结果。如：累加器ACC、乘商寄存器MQ、操作数寄存器X、变址寄存器IX、基址寄存器BR
①ACC：是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器
②MQ：乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器
③X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数
④IX：存放存储单元在段内的偏移量
⑤BR：用来存放操作数或中间结果，以减少对存储器的访问次数
（2）程序状态寄存器PSW，也称标志寄存器。用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机状态信息。如：结果是否溢出、有误产生进位

5.控制器

控制器组成：
（1）程序计数器PC：用来当前程序欲执行指令的地址，可以自动加1形成下一条指令的地址，它与MAR之间有一条直接通路
（2）指令寄存器IR：用来存放当前的指令，其内容来自MDR。指令中的操作码OP送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad送往MAR，用以取操作数
（3）控制单元CU
控制单元是控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列，即分析指令，给出控制信号

（四）中央处理器CPU

中央处理器（CPU）是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。CPU和主存共同构成主机，除主机外的其他硬件装置（包括辅存）统称为外部设备，简称外设

（五）计算机的工作过程

1.从源程序到可执行文件（C语言）
（1）预处理阶段（.c→.i）
预处理器对源程序中以字符#开头的命令进行处理，删除注释等。将.c输出为.i文件
（2）编译阶段（.i→.s）
编译器对预处理后的源程序进行编译，生成.s源程序
（3）汇编阶段（.s→.o）
汇编器将.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件.o
（4）链接阶段（.o→可执行）
链接器将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件，或简称可执行文件

翻译包括编译、汇编、解释
①编译程序：将高级语言编写的源程序一次性全部翻译成汇编语言或机器语言，如果源程序不变再次运行不需要重新翻译。如C/C++
②汇编程序：将汇编语言翻译成机器语言
③解释程序：不需要提前编译，在运行程序时翻译一句执行一句，不生成目标程序，效率比较低。如javascript、python、shell

2.举例

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
	y=a*b+c;

编译后装入主存

在存储体中：

起初：PC指向第一条指令，(PC)=0
①PC指向的内容通过地址总线传送到MAR，使得(MAR)=0
即控制器向主存指明了现在要访问0号地址对应的数据，控制器通过控制总线说明此次要进行读操作。即(PC)→MAR
②③主存储器根据MAR记录的地址信息去存储体中找出0号地址对应的二进制数据，将数据放到MDR中。此时MDR中存放要执行的第一条指令。M(MAR)→MDR，(MDR)=00001 0000000101
注：
(MAR) 表示寄存器中的内容
M(MAR) →MDR 表示主存储器中MAR地址所指明的存储单元里的数据放到MDR中
④MDR中的指令通过数据总线放到IR，即(MDR)→IR，(IR)=00001 0000000101

注：若按传统计算机，MDR属于主存，其与CPU的数据传送是通过数据总线；若按现代计算机，MDR属于CPU，CPU内各部件之间的传送通过内部总线（详见5-3）

【—以上为取指令阶段—】
取指令完成后(PC)+1→PC

⑤操作码00001被送到CU控制单元中，CU分析得知，这是“取数”指令，即OP(IR)→CU
注：OP(IR)表示IR中的操作码

【—以上为分析指令阶段—】

⑥将指令的地址码（0000000101）送到MAR。即Ad(IR)→MAR，使(MAR)=5
注：Ad(IR)表示IR中的地址码
⑦⑧主存储器根据MAR指明的地址在存储体中找到5号单元的数据放入MDR，即M(MAR)→MDR，使(MDR)=0000000000000010=2
⑨在控制单元的指挥下，MDR的数据被放到ACC中，使得ACC中存放了a的值2，即(MDR)→ACC。此时(ACC)=2，(PC)=1
【—以上为取数阶段—】

同理
①(PC)→MAR
②③M(MAR)→MDR
④(MDR)→IR，(PC)+1→PC
⑤OP(IR)→CU，得知是乘法指令
【⑥-⑪是乘法指令操作】
⑥Ad(IR)→MAR，此时(MAR)=6
⑦⑧M(MAR)→MDR，此时(MDR)=0000000000000011=3
⑨(MDR)→MQ，此时(MQ)=0000000000000011=3
⑩(ACC)→X，将被乘数a=2放入操作数寄存器中，即(X)=2
⑪CU通过控制线告诉ALU进行乘法运算，将计算结果6放入ACC（如果乘得的数值很大，需要MQ辅助存储），即(MQ)*(X)→ACC。此时(ACC)=6，(PC)=2

继续

PC=2
①(PC)→MAR
②M(MAR)→MDR
③MDR→IR，(PC)+1→PC
④OP(IR)→CU，得到加法指令
⑤Ad(IR)→MAR，此时(MAR)=7
⑥M(MAR)→MDR，此时(MDR)=1
⑦(MDR)→X，此时(X)=1
⑧(ACC)+(X)→ACC，此时(ACC)=6+1=7

PC=3
(PC)→MAR
M(MAR)→MDR
MDR→IR，(PC)+1→PC
OP(IR)→CU，得到存数指令
Ad(IR)→MAR，此时(MAR)=8
(ACC)→MDR，此时(MDR)=7
主存储器根据MAR的地址把MDR的数据放入相应的位置中，即(MDR)→地址为8的存储单元，使得y=7

PC=4
(PC)→MAR
M(MAR)→MDR
(MDR)→IR，(PC)+1→PC
OP(IR)→CU，得知是停机指令
利用中断机制通知操作系统终止进程

【总结】

四.计算机系统层次结构

M4：高级语言机器（执行高级语言）
M3：汇编语言机器（执行汇编语言）
M2：操作系统机器（向上提供广义指令）
M1：传统机器（执行机器语言指令）
M0：微程序机器（执行微指令）

五.计算机的性能指标

1.机器字长
计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据位数
2.数据通路带宽
数据总线一次所能并行传送信息的位数
3.主存容量
主存储器所能存储信息的最大容量
4.运算速度
（1）吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
（2）响应时间：从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出相应并获得所需结果的等待时间
（3）主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟频率/CPU内数字脉冲信号振荡的频率，单位Hz。主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，指令执行的速度越快
（4）CPU时钟周期：主频的倒数，是CPU中最小的时间单位，执行指令的每个动作至少需要1个时钟周期

（5）CPI（Clock Cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数
（6）IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令
（7）CPU执行时间：一个程序所花费的时间
（8）MIPS（Million Instruction Per Second）：每秒执行多少百万条指令
（9）FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算
（10）MFLOPS（Mega Floating-point Operation Per Second）：每秒执行多少百万次浮点运算
（11）GFLOPS（Giga）：每秒执行多少十亿次浮点运算
（12）TFLOPS（Tera）：每秒执行多少万亿次浮点运算

5.相关公式（不考虑单位时）
（1）CPU执行时间=时钟周期数×时钟周期=时钟周期数/时钟频率
（2）时钟周期数=CPI×指令条数=1/时钟频率
（3）1=时钟频率×CPI×指令条数
（4）CPU执行时间=CPI×指令条数×时钟周期
（5）MIPS=指令数/CPU执行时间=指令数/(时钟周期数×时钟周期)=指令数/(CPI×指令数×时钟周期)=1/(CPI×时钟周期)=时钟频率/CPI
（6）执行一条指令需要的时间=CPI×CPU时钟周期
（7）CPI×IPS=时钟频率（主频）

注：单位换算
MIPS=指令条数/(执行时间×10⁶)
MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间×10⁶)

6.基准程序
用来进行性能评价的一组程序，能够很好地反应机器在运行实际负载时的性能，可以通过在不同机器上运行相同的基准程序来比较在不同机器上的运行时间，从而测评其性能。

计算机系统概述

本笔记结合《2023王道操作系统考研复习指导》食用

✍、操作系统OS第一章计算机系统概述

本笔记结合《2023王道操作系统考研复习指导》食用
1、操作系统
1.1、操作系统的概念和定义
1.2、操作系统的功能和目标
1.2.1、操作系统是系统资源的管理者
1.2.2、操作系统向上层提供方便易用的服务
1、联机命令接口
2、脱机命令接口
3、程序接口

1.2.3、操作系统是最接近硬件的一层软件

2、操作系统的特征
2.1、并发
2.2、共享
2.2.1、并发和共享的关系

2.3、虚拟
2.4、异步
2.5、小结

3、操作系统的发展与分类
3.1、手工操作阶段
3.2、批处理阶段
3.2.1、单道批处理系统
3.2.2、多道批处理系统

3.3、分时操作系统
3.4、实时操作系统
3.5、小结

4、操作系统的运行机制
4.1、预备知识
4.2、内核程序和应用程序
4.1.2、特权指令和非特权指令
4.1.3、内核态和用户态

5、中断和异常
5.1、中断的作用
5.2、中断的类型
5.2.1、内中断
5.2.2、外中断

5.3、中断机制的基本原理
5.5、小结

6、系统调用
6.1、什么是系统调用
6.2、系统调用与库函数的区别
6.3、为什么系统调用是必须的
6.4、什么功能要用到系统调用
6.5、系统调用的过程
6.6、小结

7、操作系统的体系结构
7.1、操作系统的内核
7.2、大内核和微内核
7.3、小结

8、第一章知识回顾

1、操作系统

1.1、操作系统的概念和定义

操作系统(Operating System)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统是系统资源的管理者：操作系统作为软件和硬件之间的桥梁，是系统资源的管理者，既管理了软件资源，也管理了硬件资源。
操作系统向上层提供方便易用的服务：操作系统向用户、应用程序提供服务
操作系统是最接近硬件的一层软件

1.2、操作系统的功能和目标

1.2.1、操作系统是系统资源的管理者

我们在执行一个程序之前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。

例如我们用QQ和朋友视频聊天：

在文件夹中找到QQ安装的位置 -> 找到QQ.exe可执行文件的存放位置
双击打开 QQ.exe -> 需要把该程序相关数据放入内存
QQ程序运行 -> 对应的进程被处理机(CPU)处理
开始和朋友聊天 -> 需要将摄像头设备分配给进程

1.2.2、操作系统向上层提供方便易用的服务

用户告诉操作系统需要什么服务
操作系统会把用户的需求翻译为二进制来告诉硬件
硬件来执行操作

1、联机命令接口

联机命令接口也称为交互式命令接口

在Windows系统中输入 win+r
输入cmd，打开命令解释器
使用 time命令

联机命令接口的特点：用户说一句，系统跟着做一句

2、脱机命令接口

脱机命令接口也称为批处理命令接口

例如我们平常会玩的一些 .bat后缀的文件
其实本质和联机命令接口是相同的，只是将很多联机命令接口写在了 .bat文件中

脱机命令接口的特点：用户说一堆，系统跟着做一堆

3、程序接口

程序接口是给程序员使用的，可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。普通用户不能直接使用程序接口，这只能

例如我们写C语言的Hello World!时,在printf函数的底层就使用到了操作系统提供的显示相关的 系统调用
程序员写代码 -> 调用C语言库函数 -> 操作系统提供显示相关的系统调用 ->显示在显示器上

有的教材也将系统调用称为广义指令

有的教材会把命令接口和程序接口统称为用户接口，不包含GUI
联机命令接口和脱机命令接口的区别在于用户说一句做一句还是说一堆做一堆。
- 联机命令接口：交互式命令接口，用户说一句系统做一句
- 脱机命令接口：批处理命令接口，用户说一堆系统做一堆

1.2.3、操作系统是最接近硬件的一层软件

操作系统可以实现对硬件机器的扩展，没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，也称为虚拟机。

操作系统对硬件机器的扩展：将CPU、内存、磁盘、显示器、键盘等硬件合理地组织起来，让各种硬件能够相互协调配合，实现更多更复杂的功能。

2、操作系统的特征

2.1、并发

并发：指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

并行[常考易混概念]：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

操作系统的并发性：指的是计算机系统中"同时"运行着多个程序，这些程序宏观上看是同时运行着的，而围观上看是交替运行的。操作系统就是伴随着"多道程序技术"而出现的，因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

注意：(重要考点)

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，多个程序只能并发地执行。

多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行。

比如 Intel 的第八代 i3 处理器就是4核CPU，意味着可以并行地执行4个程序。即使对于4核CPU来说，只要有4个以上的程序需要"同时"运行，那么并发性依然是必不可少的，因此"并发性"是操作系统一个最基本的特性。

2.2、共享

共享：即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程同时使用。

两种资源共享方式：

互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程"同时"对它们进行访问。

所谓"同时"往往是宏观的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的(即分时共享)

生活实例：

互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

2.2.1、并发和共享的关系

并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

如果失去了并发性，共享性就失去了存在的意义，而如果失去了共享性，并发性就不可能被实现。并发性和共享性互为存在条件。

2.3、虚拟

虚拟：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的，而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

虚拟技术分为：

空分复用技术(如虚拟存储器技术)
时分复用技术(如虚拟处理器)

显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性。

2.4、异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性

由于并发运行的程序会争抢着使用系统资源，而系统中的资源有限，因此进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停的，以不可预知的速度向前推进。这其实就是摄像头只有一个，我们在QQ和微信和别人打视频，一会用微信打，一会用QQ打，两个程序争抢使用摄像头资源。
如果失去了并发性，即系统只能串行地运行各个程序，那么每个程序的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性

2.5、小结

3、操作系统的发展与分类

3.1、手工操作阶段

手工操作阶段：程序员把写自己好的程序放到纸袋机，计算机从纸袋机读取程序运行，最后将结果输出到纸袋机上，程序员再从纸袋机拿结果。这样第二个程序员重复上一个程序员的操作。

缺点：

用户独占全机
人机速度矛盾导致资源利用率极低。(人慢，机器运算快)

3.2、批处理阶段

3.2.1、单道批处理系统

单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术，并由监督程序负责控制作业的输入、输出。

各个程序员可以把自己写好的程序同时放入纸袋机，由外围机把程序提前存到磁带里，之后计算机直接从磁带读取程序，此时的计算机中会运行监督程序，由这个监督程序负责控制作业的输入和输出。

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调用下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率仍然很低。

3.2.2、多道批处理系统

多道批处理系统：操作系统正式诞生，用于支持多道程序并发运行，监督程序每次往内存中读入多道程序，然后让这些程序并发的运行。

主要优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源更能保持忙碌状态，系统吞吐量增大。

主要缺点：：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行。eg：(无法调试程序/无法在程序运行过程中输入一些参数）

3.3、分时操作系统

分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端(键盘、鼠标等)与计算机进行交互。比如下图，先给第一个用户服务50ms，再给第二个用户服务50ms

主要优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

3.4、实时操作系统

主要优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

3.5、小结

4、操作系统的运行机制

4.1、预备知识

指令：指令就是CPU能识别、执行的最基本的命令，本节中的指令是指的是 二进制的机器指令

4.2、内核程序和应用程序

我们普通程序员写的程序就是"应用程序"，应用程序就是跑在操作系统之上的，比如QQ、微信等。
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，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)",内核是操作系统中最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分。甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了(eg:Dicker => 仅需Linux内核)，操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI。我们平常使用的操作系统包含的其实不止是内核的功能，比如图形化用户界面就不是在内核中实现的，即使没有图形化界面，我们也可以使用cmd命令解释器来使用操作系统。
总结：操作系统的内核里面是最核心、最重要的功能。

4.1.2、特权指令和非特权指令

内核程序的指令我们称为特权指令，应用程序的指令我们称为非特权指令，CPU能在执行一条指令前就判断出其类型。

4.1.3、内核态和用户态

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还是应用程序呢？

CPU有两种状态：内核态和用户态

当CPU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
当CPU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

如何区分CPU此时处于哪种状态呢？

在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

如何实现内核态和用户态的切换呢？

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

5、中断和异常

5.1、中断的作用

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序(整个系统的管理者)，一种是应用程序

在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
中断会使CPU由用户态转变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序。既如此，何来并发呢？

5.2、中断的类型

5.2.1、内中断

内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部。(若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号)

例子：

试图在用户态下执行特权指令
- 当应用程序在执行非特权指令的时候，黑客在里面插入了一条特权指令，CPU识别到特权指令产生中断信号，并会切换为内核态。这个中断是由执行的指令引起的，称为内中断。
执行除法指令时发现除数为0
- 有时候在用户态下执行非特权指令也会引发内中断，例如执行除法指令发现除数为0，这样也会引发内中断
有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令——陷入指令[非特权指令]，该指令会引发一个内部中断信号。(执行陷入指令，意味着应用程序主动地将CPU控制权还给操作系统内核。"系统调用"就是通过陷入指令来完成的)

5.2.2、外中断

外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。(每一条指令结束后，CPU都会例行检查是否有外中断信号)

例子：

时钟中断：由时钟部件发来的中断信号(时钟部件每隔一个时间片(如50ms)会给CPU发送一个时钟中断信号)
- 通过这个时钟中断信号就可以实现多道程序并发运行。例如两个应用程序想要并发运行，首先应用程序1运行在用户态，当过了50ms之后时钟部件会给CPU发送一个中断信号(这个中断信号是由CPU外部发出的，所以称为外中断)，当CPU收到中断信号时会先暂停此时正在运行的应用程序，转而执行相应的内核程序来处理中断信号，之后由内核程序控制接下来让应用程序2上CPU运行，所以切换为用户态让应用程序2上CPU运行。
I/O中断：由输入/输出设备发来的中断信号(当输入输出任务完成时，向CPU发送中断信号)
- 例如打印机打印任务完成之后，会向CPU发送中断信号

5.3、中断机制的基本原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理
当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在"内核态"。

5.5、小结

6、系统调用

6.1、什么是系统调用

知识点回顾：操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

"系统调用"是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

6.2、系统调用与库函数的区别


普通应用程序	可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及
编程语言	向上提供库函数。有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。
操作系统	向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务。
裸机

其实我们在写代码的时候是可以直接写汇编语言来请求系统调用的服务，但是由于高级语言的出现，我们一般都是通过调用C库函数、Python库函数等，这些库函数在底层其实也是调用了操作系统提供的系统调用来请求操作系统的服务。 所以系统调用是比高级语言库函数更为底层的接口。

我们的裸机之上是操作系统，操作系统向上提供的接口是系统调用，使得上层程序通过调用这些接口来请求内核的服务，操作系统之上各种各样的高级编程语言会用库函数的方式来封装这些系统调用，然后向更上层编写应用程序的程序员暴漏更好用的接口。但并不是所有的库函数都会使用系统调用：

不涉及系统调用的库函数：如"取绝对值"的函数。
涉及系统调用的库函数：如"创建一个新文件"的函数。

6.3、为什么系统调用是必须的

6.4、什么功能要用到系统调用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作(如存储分配、I/O操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

6.5、系统调用的过程

一个应用程序运行在用户态，当它想要发出系统调用的时候，它需要用传参数的指令给CPU的寄存器当中传递一些必要的参数，操作系统会根据这些参数来判断它到底需要哪种类型的服务，当传参指令都放到CPU的寄存器之后，应用程序就会执行 陷入指令来发出内中断信号，CPU就会切换为内核态，来执行相应的系统调用指令。