操作系统（四）操作系统的运行机制

1.4 操作系统的运行机制

1.4.1 内核程序&应用程序

1.4.2 特权指令&非特权指令

1.4.3 内核态&用户态

1.4.4 操作系统的内核

1.4.5 小结

操作系统其实也是一种程序，程序的执行过程也就是CPU执行一行行机器指令的过程。区别于一般程序员开发的应用程序，实现操作系统的程序就是内核程序。

1.4.1 内核程序&应用程序

内核程序：实现操作系统的程序称为内核程序，许多内核程序结合在一起便组成了操作系统内核。

应用程序：普通程序员借助编程工具以及高级语言所完成的程序叫做应用程序。

1.4.2 特权指令&非特权指令

特权指令：作为系统资源的管理者，操作系统可以使用一些直接关系重大的指令（内存清零等），这些指令被称为特权指令，而且应用程序没有办法直接使用特权指令，这保证了操作系统的安全。

非特权指令：应用程序可以使用的指令，如加减乘除指令等。

CPU在设计的时候便已经划分出了特权指令以及非特权指令，因此在执行这条命令前CPU就可以先判断指令的内容。

1.4.3 内核态&用户态

CPU有两种状态：内核态（或称核心态，管态）以及用户态（目态）。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。在CPU中有一个寄存器叫做程序状态寄存器（PSW），该寄存器的01状态来表示此时处于内核态还是用户态。

下面我们来讲解一下，用户态与内核态之间是如何相互进行变化的。

内核态-->用户态：需要执行一条特权指令（指令内容是修改PSW寄存器状态），此时内核态转变为用户态，CPU主动让出使用权。

用户态-->内核态：由“中断”引发，当CPU检测到中断时，操作系统会强制将CPU变为内核态夺回CPU使用权，再执行与中断有关的一系列操作。

下面我们用一个小栗子来解释一下这个过程：

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

③ 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

④ 应用程序运行在“用户态”

⑤ 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…

⑥ 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”

⑦ 这个非法事件会引发一个中断信号

⑧ “中断”使操作系统再次夺回CPU的控制权

⑨ 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

1.4.4 操作系统的内核

当我们刚开始使用操作系统的时候，会发现一些程序并不是必需的（记事本等），这些程序称为操作系统的非内核功能，下图是将操作系统进行了更进一步的划分。

有人将内核划分为大内核以及微内核，这两种划分在不同的时期各有优势。下面用企业来类比一下操作系统：

内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层（内核程序）才能执行特权指令，普通员工（应用程序）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。

1.4.5 小结

需要注意的是：

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。