操作系统的运行机制

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令 ：

“ 指令 ” ：处理器（CPU） 能识别、 执行的最基本命令

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

注： 很多人习惯把 Linux、 Windows、 MacOS 的 “ 小黑框 ” 中使用的命令也称为“ 指令 ” ， 其实这是“ 交互式命令接口 ” ， 注意与本节的 “ 指令 ” 区别开。 此 “ 指令 ” 指二进制机器指令

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 ”

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甚至可以说， 一个操作系统只要有内核就够了（eg： Docker—>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

特权指令 & 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

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

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

内核态 & 用户态

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

拓展： 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

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

启动过程：

  • 刚开机时， CPU 为“ 内核态 ” ， 操作系统内核程序先上CPU运行

  • 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，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 ”

  • 应用程序运行在“ 用户态 ”

  • 此时， 一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令， 企图破坏系统…

  • 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

  • “ 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

两种指令、 两种处理器状态、 两种程序

有的指令“人畜无害” 。 比如： 加、 减、 乘、 除 这些普通的运算指令。

有的指令有很高的权限。 比如： 内存清零指令。 如果用户程序可以使用这个指令， 就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零， 这样做显然是很危险的。

特殊指令：不允许用户程序使用

用程序状态字寄存器（PSW） 中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。 如 0 为用户态， 1 为核心态

用户态：此时CPU只能执行非特权指令

核心态：特权指令、 非特权指令都可执行

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

操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件， 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。

有的操作系统不把这部分功能归为“ 内核功能 ” 。 也就是说， 不同的操作系统， 对内核功能的划分可能并不一样

比喻：

内核就是企业的管理层， 负责一些重要的工作。

只有管理层才能执行特权指令， 普通员工只能执行非特权指令。 用户态、 核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接

大内核： 企业初创时体量不大， 管理层的人会负责大部分的事情。 优点是效率高； 缺点是组织结构混乱， 难以维护。

微内核： 随着企业体量越来越大， 管理层只负责最核心的一些工作。 优点是组织结构清晰， 方便维护； 缺点是效率低。

特权指令只能在核心态下执行

内核程序只能在核心态下执行