(王道408考研操作系统)第一章计算机系统概述-第一节3：操作系统的运行机制与体系结构

Posted 2021-11-07 快乐江湖

文章目录

• 一：两种指令、两种处理器状态、两种程序
• 二：操作系统的内核
• • （1）内核
  • • A：时钟管理
    • B：中断机制
    • C：原语
    • D：系统控制的数据结构及处理
  • （2）大内核和微内核

一：两种指令、两种处理器状态、两种程序

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序

1. 操作系统的内核程序
2. 用户自编程序（应用程序）

特权指令和非特权指令

• 特权指令：指的是具有特殊权限的指令，这类指令权限很大，使用不当将导致系统奔溃。经典的有清内存，修改页表，修改访问权限等等。如果所有程序都能使用这些指令，那么先不要说别有用心的人会利用这些漏洞，我们用户自己就先把系统搞坏了。因此为了保证系统安全，这类指令只能用于操作系统或其他软件，不直接提供给用户使用——特权指令必须在核心态执行
• 非特权指令：为了防止用户程序中使用特权指令，用户态下只能使用非特权指令，核心态下可以使用全部指令。在用户态下使用特权指令时，将产生中断以阻止用户使用特权指令

用户态和核心态
使用程序状态字寄存器(PSW) 中的某标志位来表示当前处理器处于什么状态

• 用户态：CPU处于用户态只可以执行非特权指令
• 核心态：CPU处于核心态可以执行所有指令

内核程序和应用程序

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
• 应用程序：为了保证系统能够安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

二：操作系统的内核

在软件工程思想和结构程序设计方法影响下诞生的现代操作系统，几乎都是层次式的结构，操作系统的各项功能分别被设置在不同的层次上。一些与硬件关联紧密的模块，比如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最底层。其次是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核，这部分内容的指令操作工作在核心态。

（1）内核

内核 是计算机配置的底层软件，是计算机功能的延伸

A：时钟管理

在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备。时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换

B：中断机制

这一部分可以结合《计算机组成原理》中的中断进行学习，读者可点击链接跳转【专栏必读】王道考研408计算机组成原理万字笔记（有了它不需要你再做笔记了）：各章节内容概述导航和思维导图

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中断机制中，只有一小部分属于内核，他们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力

C：原语

按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的公用小程序，他们各自完成一个规定的操作，其特点如下

1. 处于操作系统的最底层，最接近硬件的部分
2. 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（为了系统安全性和便于管理考虑）
3. 这些程序的运行时间都较短，且调用频繁

通常把具有这些特点的程序称为原语(Atomic Operation)。定义原语的直接方法是关闭中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开终端

• 其实原语就是原子性操作，这一点在我们Linux系统编程中常常提及，实现方式就是锁。有兴趣的读者可以跳转：【README】Linux系统编程必读：本专栏内容提要以及系统调用接口总结

D：系统控制的数据结构及处理

系统中用来登记状态信息的数据结构有很多，例如作业控制，进程控制块（PCB），设备控制块，各类链表，消息队列，缓冲区，空闲区登记表，内存分配表等等。为了实现有效管理，系统需要一些基本操作，常见的有以下是那种

• 进程管理： 进程状态管理、进程调度和分派、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

（2）大内核和微内核

操作系统的体系结构可以分为：大内核和微内核

大内核 ：将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态

• 优点： 性能高
• 缺点： 内核代码庞大，结构混乱，难以维护

微内核 ：只把最基本的功能保留在内核

• 优点： 内核功能少，结构清晰，方便维护
• 缺点： 需要频繁在核心态和内核态之间切换，性能低