1.3.1用户态与核心态

1.3.2中断与异常

1.3.3系统调用

【例题】

1.3.1用户态与核心态

在计算机系统中，CPU通常运行两种不同性质的程序: 一种是操作系统内核程序;另一种是用户自编程序，简称用户程序或应用程序。为了避免操作系统及其关键数据(如PCB等)受到用户程序有意或无意的破坏，通常将处理器的执行状态分为：核心态和用户态。

（1）核心态

又称管态、系统态。是操作系统管理程序执行时机器所处的状态。,它具有较高的特权，能执行包括特权指令的一切指令，能方问所有寄存器和存储区。

[特权指令是指由操作系统内核使用的指令，用户程序不能执行，如I/0指令、设置中断屏蔽指令、清内存指令、存储保护指令和设置时钟指令。]

（2）用户态

用户态又称目态，是用户程序执行时机器所处的状态，是具有较低特权的执行状态，能执行规定的指令，只能访问指定的寄存器和存储区

··区别核心态和用户态

CPU中有一个程序状态寄存器(PSW)，其中有一个二进制位，1表示"核心态"，0表示"用户态"

··核心态和用户态的切换

核心态–>用户态：执行一条特权指令来修改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–>核心态：通过执行访管指令，引发中断，硬件自动完成转态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权。中断是从用户态切换到核心态的唯一方式。

（3）操作系统的内核

1.3.2中断与异常

（1）中断和异常的定义

中断也称外中断指来自CPU执行指令以外的事件的发生，中断来自外部硬件如I/O中断（由输入输出设备发出的中断，外部设备想要输入或输出数据），时钟中断（主要表现为进程的时间片轮转调度，这是实现并发的手段），这类中断通常与当前处理机运行的程序无关。

异常也称内中断或陷人trap（应用程序自己要求进行的中断，用户程序想要调用系统调用）,指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、虚存系统的缺页及专门的陷人指令等引起的事件。对异常的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，而且异常不能被屏蔽，一旦出现应立即处理。

（2）中断处理过程（外中断）

①关中断：CPU响应中断后，首先要保护程序现场状态，在保护的过程中CPU不可以响应更高优先级的中断请求。如果响应了更高优先级的程序，那低优先级的程序现场保存不完整，之后处理完中断后就不能正确的回到中断前的状态

②保存断点：为保证中断服务程序执行完毕能正确的返回到原来的程序，必须将程序断点（程序计数器PC的值）保存起来

③寻找中断服务程序入口地址：实质是取出中断服务程序的入口地址送入到程序计数器PC中入口地址的获取：查询"中断向量表"，找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置

进入中断服务程序，开始执行中断服务程序

④保护现场和屏蔽字：进入中断服务程序后的第一件事，就是保护现场和屏蔽字，主要是保存程序状态字PSWR和某些通用寄存器的内容

⑤开中断：允许响应更高级中断此时如果有高级中断到来，可以去执行高级中断，因为被中断程序的现场信息已经被保存，响应高级中断不会导致被中断程序在恢复时现场信息不完整

⑥中断服务程序处理：执行中断服务程序，这也是中断的目的所在

⑦关中断：执行完中断服务程序，在程序结束前，要恢复现场，这个操作也不可以被打断

⑧恢复现场：中断服务程序将之前保存的相关寄存器的值恢复到原来的状态

⑨开中断：中断服务程序即将结束，重新打开中断，允许响应其他中断

⑩返回到断点继续执行：中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到程序断点处，以便原程序继续执行

1.3.3系统调用

系统调用是用户程序获得操作系统服务的唯一途径，是操作系统提供给应用程序的一个接口，应用程序通过这个接口向操作系统申请内核服务。凡是与共享资源有关的操作(如内存分配，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。

系统调用的过程：

用户程序通过执行陷入指令(又称访管指令或trap指令)来发起系统调用请求操作系统提供服务，即用户程序执行访管指令，使CPU的状态由用户态变为核心态；

之后由操作系统内核程序再对系统调用请求做出相应处理；

处理完成后，操作系统内核程序再把CPU的使用权还给用户程序(即CPU状态会从核心态返回用户态)。

【例题】：

1.下列操作系统的各个功能组成部分中,( )可不需要硬件的支持。A

A.进程调度 B.时钟管理 C.地址映射 D.中断系统

··进程调度是由调度算法决定CPU的使用权，由操作系统实现，无需硬件的支持

··对于时钟管理，任何操作系统都需要提供一个时钟节拍，以供系统处理所有和时间有关的事件，时钟节拍由配置为中断触发模式的硬件定时器产生

··逻辑地址到物理地址的映射都是靠硬件来实现的。无论是连续分配还是段表还是页表，都是一些地址寄存器，基址寄存器记录内存片段的开始，而另一个寄存器保存长度信息等

··中断的发生会激活很多事件,这包括硬件和软件的方面的事件,所以对于整个中断事件的接收、响应和处理需要有计算机的硬件和软件两方面的配合,共同完成。硬件中断装置负责捕获中断源发出的中断请求,并以一定的方式响应中断源,然后将处理器的控制权移交给特定的中断处理程序。中断处理程序则针对对中断事件的性质而执行相应的系列操作。

2.计算机区分核心态和用户态指令后，从核心态到用户态的转换是由操作系统程序执行后

完成的，而用户态到核心态的转换则是由( )完成的。A

A.硬件 B.核心态程序 C.用户程序 D.中断处理程序

··计算机通过硬件中断机制完成用户态到核心态的转换，发生中断事件时，触发中断，硬件中断机制把计算机状态置为核心态

··核心态程序只有在操作系统进入核心态之后才执行，D中断处理程序一般也在核心态执行，无法完成用户态到核心态的转换

··若用户程序能进行转换，则用户程序就能使用核心态指令，这会危害计算机的安全。

3. [2011统考真题]下列选项中，在用户态执行的是( ) A

A.命令解释程序 B.缺页处理程序 C.进程调度程序 D .时钟中断处理程序

··命令解释程序属于命令接口，是面对用户的，在用户态执行

··缺页处理程序和时间中断处理程序都是在核心态下执行的程序

··进程调度是操作系统内核进程，用户无法干预，在核心态执行

4. [2012 统考真题]下列选项中，不可能在用户态发生的事件是( )。C

A.系统调用 B.外部中断 C.进程切换 D.缺页

注意题目问的是不能在用户态发生的事件

··系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，发生在用户态，被调用程序在核心态下执行

··外部中断是用户态到核心态的门，发生在用户态，在核心态完成中断过程

··进程切换是系统调用的执行程序事件，只能发生在核心态

··缺页产生后，在用户态发生缺页中断，进入核心态执行缺页中断服务程序

5. [2012 统考真题]中断处理和子程序调用都需要压栈以保护现场，中断处理一定会保存

而子程序调用不需要保存其内容的是( )。B

A.程序计数器PC B.程序状态字寄存器PSWR C.通用数据寄存器 D通用地址寄存器

··中断处理要保存断点（PC的内容）和程序状态字寄存器的内容，而子程序调用只需保存程序断点，即该指令的下一条指令地址

6. [2015 统考真题]处理外部中断时，应该由操作系统保存的是( ).B

A.程序计数器(PC)的内容B.通用寄存器的内容C.块表(TLB)中的内容D. Cache 中的内容

··外部中断处理过程，PC（程序计数器）值由中断隐指令自动保存，而通用寄存器内容由操作系统保存

7. [2015统考真题]假定下列指令已装入指令寄存器,则执行时不可能导致CPU从用户态变为内核态(系统态)的是( )。C

A. DIV RO, RI; (RO)V(R1)→R0 ··该指令有除零出现异常的可能

B. INTn; 产生软中断 ··INT为interrupt，为中断指令

C. NOT RO;寄存器RO的内容取非 ··不会出现异常所以不会出现状态转换

D. MOV RO, addr;把地址addr处的内存数据放入寄存器RO ··可能出现缺页异常

8. [2018 统考真题]定时器产生时钟中断后，由时钟中断服务程序更新的部分内容是ABC

A.内核中时钟变量的值

B.当前迸程占用CPU的时间

C.当前进程在时间片内的剩余执行时间

··时钟中断主要是处理和时间有关的信息和决定是否执行调度程序。和时间有关的所有信息包括系统时间，进程的时间片，使用CPU的时间，各类定时器。

9. [2020统考真题]下列与中断相关的操作中，由操作系统完成的是( )。BCD

A.保存被中断程序的中断点B.提供中断服务

C初始化中断向量表 D.保存中断屏蔽字

··CPU检测到中断信号后由硬件自动保存中断程序的断点

··硬件找到中断信号对应的中断向量（中断向量统一存放在中断向量表中，表由操作系统初始化），指明中断服务程序入口地址，接下来开始执行中断服务程序，保存程序状态字，中断屏蔽字等，提供与中断信号对应的中断服务。中断服务程序属于操作系统内核。

10. [2021统考真超]下列指令中。只能在内核态执行的是 B

A. trap指令 B. I/O指令 C数据传送指令 D.设置断点指令

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