【计算机四级（网络工程师）笔记】操作系统运行机制

目录

一、中央处理器（CPU）

1.1CPU的状态

1.2指令分类

二、寄存器

2.1寄存器分类

2.2程序状态字（PSW）

三、系统调用

3.1系统调用与一般过程调用的区别

3.2系统调用的分类

四、中断与异常

4.1中断

4.2异常

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一、中央处理器（CPU）

构成CPU的主要部件：运算器，控制器，寄存器，高速缓存。

CPU的工作：取指令，设置CPU状态，响应中断请求。

1.1CPU的状态

CPU状态分为管态（系统态），目态（用户态）。

1.管态∶操作系统管理程序运行的状态，全部指令可以执行，所有资源可使用，并改变处理器状态。此时既可运行特权指令（操作系统使用），也可以运行任何非特权指令（用户程序使用）。

2.目态∶用户程序运行时的状态，只有非特权指令能执行。

目态到管态的转换途径是通过中断或异常，管态到目态转换的途径可以通过设置PSW指令。

1.2指令分类

指令按照权限分为特权指令，非特权指令。

1.特权指令（只能在内核态下运行）：置程序计数器、清指令寄存器、清溢出标志、屏蔽中断。

2.非特权指令（可以在内核态下运行又可以在用户态下运行）：置移位方向标志位、算术运算指令。

二、寄存器

2.1寄存器分类

寄存器分为用户可见寄存器和用户不可见寄存器。

1.用户可见寄存器：数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器。

2.用户不可见寄存器：程序计数器、指令寄存器、程序状态字。

2.2程序状态字（PSW）

1.PSW状态码:
（1）CPU工作状态码（S）
（2）条件码（C）
（3）中断屏蔽码（IF）

2.PSW常见标志位：
（1）进位标志位（CF）
（2）结果为零标志位（ZF）
（3）符号标志位（SF）
（4）溢出标志位（OF）

3.PSW特殊标志位：
（1）陷阱标志位（TF）
（2）中断使能（中断屏蔽）标志位（IF）
注：进程运行时状态发生转换的原因是发生中断，不希望被外部事件打扰只有设置程序状态字寄存器(PSW）的IF中断标志位，设置为F为0屏蔽中断。
（3）虚拟中断标志位（VIF）
（4）虚拟中断待决标志位（VIP）
（5）IO特权级别位（IOPL)

三、系统调用

系统调用是用户在程序运行时调用的操作系统所提供的一些子功能，这些系统调用可以看作是操作系统提供给用户程序的服务（用于应用程序编程的唯一接口，“扩充”的机器指令）

系统调用传递参数方法有3种：通过寄存器传递、通过堆栈传递、通过指令自带传递。

3.1系统调用与一般过程调用的区别

系统调用时调用程序位于用户态，被调用程序位于核心态。

过程调用直接返回到调用程序，系统调用在返回到调用程序前先运行调度程序（系统调用时需要通过陷入机制，从用户态的调用程序转到核心态的被调用程序）。

3.2系统调用的分类

系统调用的分类主要有进程控制类、文件操作类、进程通信类、设备管理类和信息维护类5种。

1.进程控制类：主要用于对进程的控制，如创建和终止进程、获得和设置进程属性等。

2.文件操作类：主要用于对文件的操作，如创建文件、打开文件、关闭文件、读文件、写文件、创建一个目录、建立目录、移动文件的读/写指针、改变文件的属性等。

3.进程通信类：主要用于进程之间传递消息和信号。

4.设备管理类：主要用于请求和释放有关设备，以及启动设备操作等。

5.信息维护类：主要用于获得当前时间和日期，如设置文件访问和修改时间，了解系统当前的用户数、操作系统的版本号、空闲内存和磁盘空间大小等。

四、中断与异常

一般系统中产生的事件分为中断和异常两类。中断是由外部事件引发的，而异常则是由正在执行的指令引发的。

4.1中断

中断：CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应。

中断源：引起中断的设备或事件。

中断字：一个计算机系统提供的中断源的有序集合。

中断断点：正在执行的程序的暂停点。

中断请求：中断源向处理器发出的中断信号。

中断响应：处理器暂停当前程序，转而进入中断处理程序。（用户程序需要关闭中断响应，必须首先发起访管中断。）

中断处理程序：处理中断事件的程序。

中断向量表：包含中断向量代号和中断处理程序的地址。当中断发生时，从中断向量表中取得中断处理程序的入口地址。

中断向量：中断处理程序入口地址，由程序状态字PSW和PC（指令计数器）组成。

属于中断事件的有:
(1)时钟中断
(2)输入/输出（I/O）中断：数据传送完毕、设备出错、键盘输入、网卡上数据缓冲区满
(3)控制台中断
(4)硬件故障中断
(5)访管中断：用户程序在用户态下执行了特权指令（想要避免访管中断，首先要执行访管指令，把目态切换成管态）

4.2异常

属于异常事件的有:
(1)程序性中断（与当前运行的进程有关）：算术溢出、虚存中的缺页中断、被零除、指令错误（目态程序试图执行特权指令）、程序执行时所访问的变量不在内存、内存保护出错
(2)访管指令异常