4.2 内核态与用户态

CPU能判断出指令类型，但是，它是如何区分正在运行的程序是内核程序还是应用程序的呢？

其实，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处于应用态时，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中有一个寄存器叫做 程序状态字寄存器（PSW）， 其中有个二进制位，1表示内核态，0表示应用态。

用户态和内核态是如何进行转化的？

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

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，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。

而 “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。

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，就没有并发的一席之地了。

中断的类型

内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部；

外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部。

内中断的实例： 试图在用户态下执行特权指令、执行除法指令时发现除数为0。即：若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。

当然，有时候应用程序想要请求操作系统内核的服务，此时就会执行一条特殊的指令：陷入指令， 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完成的。

外中断的实例： 时钟中断–由时钟部件发来的中断信号。每一条指令执行结束时，CPU都会例行检查是否有外中断信号。

内中断也称异常

分为如下三种：

陷阱、陷入（trap）： 由陷入指令引发，是应用程序故意引发的；

故障（fault）： 由错误条件引起的，可能被内核程序修复。内核程序修复故障后会把CPU的使用权交还给应用程序，让它继续执行下去，如缺页故障；

终止（abort）： 由致命错误引起，内核程序无法修复该错误，因此一般不再将CPU使用权还给引发终止的应用程序，而是直接终止该应用程序。如整数除以0、非法使用特权指令。

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。具体硬件上的实现，将在计算机组成原理中探讨。

6 系统调用

6.1 什么是系统调用

“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。

❓ 系统调用与库函数的区别？

答：系统调用应该是比高级语言的库函数更为底层的接口。不过，并不是所有库函数都涉及到系统调用，比如：取绝对值的函数… …

系统调用与库函数的区别见下图：

6.2 为什么系统调用是必须的？

例子见下图：

那么什么功能需要用到系统调用呢？ 王道书给出了如下分类：

设备管理： 完成设备的 请求/释放/启动 等功能

文件管理： 完成文件的 读/写/创建/删除 等功能

进程控制： 完成进程的 创建/撤销/阻塞/唤醒 等功能

进程通信： 完成进程之间的 消息传递/信号传递 等功能

内存管理： 完成内存的 分配/回收 等功能

系统调用相关功能涉及系统资源管理，进程管理等操作，需要特权指令，所以系统调用处理需要由操作系统欸和程序负责完成运行在核心态。用户程序可以执行trap命令发起系统调用，请求OS服务，相当于把CPU使用权交给OS内核程序。用户程序不能直接执行对系统影响很大的操作，必须通过系统调用的方式请求OS执行，以便保证系统稳定性和安全性，防止用户程序随意更改/访问重要的系统资源，影响其他进程执行。

6.3 系统调用的过程

传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态）->返回应用程序。

OS运行环境理解为：用户通过OS上层程序，而这个程序依赖OS底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序，也可能是程序运行出现异常情况，被动需要管理程序服务，通过异常处理来进入核心态，管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，此时通过响应的保存的程序现场退出中断处理程序/异常处理程序，返回断点处继续执行。

需要注意以下两点：

陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态；

发出系统调用请求是在用户态，而 对系统调用的相应处理是在核心态完成的。

7 操作系统的体系结构

操作系统的内核

内核是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

操作系统内核需要运行在内核态；

操作系统的非内核功能运行在用户态。

而内核分为大内核和微内核，具体图示如下：

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：高性能；缺点：内核代码量大，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：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。