操作系统的运行机制
廖家龙 用心听,不照做

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程

二进制机器指令就是处理器CPU能识别、执行的最基本命令

内核程序、应用程序

我们普通程序员写的程序就是“应用程序”

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”

有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,甚至可以说,一个操作系统只要有内核就够了,操作系统的功能未必都在内核中,如图形化用户界面GUI

两种指令

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”,即操作系统内核来使用

非特权指令

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

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还是应用程序?

两种处理器状态

内核态(核心态、管态)

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

用户态(目态)

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”

内核态、用户态的切换

  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,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,应用程序运行在“用户态”(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”)

  3. 此时,一位黑客在应用程序中植入了一条特权指令,企图破坏系统

  4. CPU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”,这个非法事件会引发一个中断信号,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,转而运行处理中断信号的内核程序

  5. “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权,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

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(除了非法使用特权指令之外,还有很多事件会触发中断信号,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)