操作系统基本作用（操作系统基本作用有哪些）



目录

1.操作系统的运行机制

简单了解程序的运行原理

两种指令：特权指令和非特权指令

两种处理器状态：核心态/内核态/管态和用户态/目态

两种程序：内核程序和应用程序

内核：

如何变态？

2.中断和异常

中断的作用

中断的分类

内中断

外中断

中断机制的基本实现原理

3.系统调用

什么是系统调用？

系统调用与库函数的区别

为什么系统调用是必须的？

什么功能要用系统调用实现？

系统调用的过程

高级语言编写代码—》机器指令

程序运行的过程就是CPU执行一条一条机器指令的过程。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。

指令就是处理器（CPU）能识别执行的最基本的命令。

”小黑框“是交互式命令接口，与这里的指令不一样。

特权指令：不允许用户直接使用的指令。如内存清零指令。

非特权指令：是指允许用户直接使用的指令。如加法指令和减法指令。

可以理解为CPU内部有一个小开关，当小开关为0时，CPU处于核心态，此时CPU可以执行特权指令，切换到用户态的指令也是特权指令。当小开关为1时，CPU处于用户态，此时CPU只能执行非特权指令。

”管理程序“（内核程序）要执行一些特权指令，而被管理者（应用程序）出于安全考虑不能执行这些特权指令。

内核（Kernel）是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分，由很多内核程序组成操作系统的内核。甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了。（eg：Docker（容器）—》仅需Linux内核）

内核态—》用户态：一条修改PSW的特权指令。（将标志位设置为用户态）

用户态—》内核态：由中断引起，硬件自动完成。CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，并且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。

让操作系统内核强行夺回CPU的控制权，使CPU从用户态变为核心态。

(如果没有”中断“机制，那么一旦应用程序上CPU运行，便会一直运行该应用程序，就没有”并发“多道了)

内中断

（也称异常，例外，与当前执行的指令有关，中断信号来源于CPU内部）

1、陷阱、陷入（trap）【软件中断】

2、故障（fault）【软件中断】

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吧CPU使用权还给应用程序，让它继续执行下去。如：却也故障，除数为0

3、终止（abort）【硬件中断】

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。硬件故障 如：控制器出错，存储器检验错等。

例子：

若当前执行的指令是非法的，则会引发一个中断信号。

1、试图在用户态下执行特权指令

2、执行除法指令时发现除数为0

3、有时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时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地将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【是应用程序故意引发的】））

外中断

（也称中断，与当前执行的指令无关，中断信号来源于CPU外部）【硬件中断】

1、时钟中断—由时钟部件（每隔一个时间【如50ms】会给CPU发送一个时钟中断信号）发来的中断信号。

2、I/O中断请求—由输入/输出设备发来的中断信号。

（1）检查中断信号

（2）找到相应的中断处理程序——通过”中断向量表“实现

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。

中断信号类型中断处理程序指针012...3.........

显然，中断处理程序一定是内核程序，需要运行在“内核态”。

操作系统对应用程序/程序员提供的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，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。

有的库函数是对系统调用的进一步封装（创建一个新的文件），有的库函数没有使用系统调用（如“取绝对值函数”，math.h）。

普通应用程序可直接进行系统调用，也可使用库函数。有的库函数涉及系统调用，有的不涉及。编程语言向上提供库函数，有时会将系统调用封装成库函数，以隐藏系统调用的一些细节，使程序员编程更加方便。操作系统向上提供系统调用，使上层程序能请求内核的服务裸机

a要打印，b也要打印，他们打印的内容混合在一起了。

解决方法：由操作系统内核对共享资源进行统一的管理，并向上提供“系统调用”，用户进程想要使用打印机这类共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理。

（凡是与共享资源有关的操作，会直接影响到其他进程的操作，就一定需要操作系统介入，就需要通过系统调用来实现）

设备管理：完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。

文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能。

进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。

进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。

内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小和起始地址等功能。

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

tip：

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

2、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下进行。

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