1.2 运行环境、体系结构、引导与虚拟机

内核态与用户态、特权指令，操作系统内核的功能，中断与异常的分类与处理，系统调用的执行过程；分层、模块化、宏内核与微内核结构；操作系统的引导；虚拟机。

处理器的运行模式

计算机系统中，通常 CPU 执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（即系统外层的应用程序，简称”应用程序”）。对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此”管理程序”（即内核程序）要执行一些特权指令，而”被管理程序”（即用户自编程序）出于安全考虑不能执行这些指令。

• 特权指令：不允许用户直接使用的指令，如 I/O 指令、置中断指令（开/关中断）、存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态字寄存器、修改时钟等；
• 非特权指令：允许用户直接使用的指令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

在具体实现上，将 CPU 的运行模式划分为用户态（目态）和内核态（管态、核心态）。CPU 处于内核态时，可以执行所有的指令；处于用户态时，只能执行非特权指令。CPU 中有一个寄存器（PSW 中的某一位）标志当前处于哪种模式。

内核

内核是计算机上配置的底层软件，它管理着系统的各种资源，可以看作连接应用程序和硬件的一座桥梁，是计算机上最基本、最核心的部分。内核的内容主要包括：

1. 时钟管理：计时，向用户提供标准的系统时间；通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换（如分时系统的时间片轮转）；
2. 中断机制：在中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序；
3. 原语：处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分；这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（通常通过关中断实现）；运行时间都较短，而且调用频繁，如设备驱动、CPU 切换、进程通信中的部分操作；
4. 系统控制的数据结构及处理：进程管理（进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销 PCB 等）、存储器管理（存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等）、设备管理（缓冲区管理、设备分配和回收等）。

中断和异常

引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中 CPU 的利用率，而且主要是针对外部设备的。后来逐步得到发展，形成了多种类型，成为操作系统各项操作的基础。

• 中断（外中断）：来自 CPU 执行指令外部的事件，通常用于信息输入/输出，如设备发出的 I/O 结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成；时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等；
• 异常（内中断）：来自 CPU 执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应立即处理。
  • 陷入（trap，自陷）：应用程序有意引发的，如系统调用。处理后返回到下一条指令；
  • 故障（fault）：由指令引起的、可能被修复的错误，如缺页、除数为 0（有的教材将除 0 视为终止）。故障被修复后返回引起故障的指令重新执行；
  • 终止（abort）：出现了使得 CPU 无法继续执行的硬件故障，如控制器出错、存储器校验错，不再返回。

中断处理过程：关中断 → 保存断点（PC）→ 引出中断服务程序（以上由硬件完成，称为中断隐指令）→ 保存现场和屏蔽字 → 开中断 → 执行中断服务程序 → 关中断 → 恢复现场和屏蔽字 → 开中断、中断返回。其中 PC 等由硬件自动保存，通用寄存器等现场信息由操作系统（中断服务程序）保存。

系统调用

系统调用是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O 传输及文件管理等），都必须通过系统调用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。系统调用按功能大致可分为：设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理。

1// 用户程序
2n = read(fd, buf, 100);      // 调用库函数
3// C 库中的 read()
4mov eax, 3                   // 系统调用号
5mov ebx, fd / ecx, buf ...   // 传递参数
6int x80 / syscall           // 陷入指令：用户态 → 内核态
7// 内核：系统调用处理程序
8保存现场；按 eax 查系统调用表
9sys_read(fd, buf, 100)       // 执行内核服务例程
10恢复现场；iret               // 返回用户态
11// 回到用户程序
12使用 n 与 buf 中的数据

操作系统体系结构

操作系统引导

操作系统是一种程序，程序以数据的形式存放在硬盘中，而硬盘通常分为多个区，一台计算机中又可能有多个或多种外部存储设备。操作系统引导是指计算机利用 CPU 运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统，一环扣一环地完成上述过程。

虚拟机

虚拟机是指利用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，通过隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境。有两种虚拟化方法：

• 第一类虚拟机管理程序（裸金属架构）：直接运行在硬件上，是唯一一个运行在最高特权级（内核态）的程序。虚拟机中的”内核态”实际上运行在物理机的用户态，当虚拟机中的操作系统执行特权指令时，会陷入虚拟机管理程序中处理（如 VMware ESXi、Xen）；
• 第二类虚拟机管理程序（寄居架构）：是一个依赖于宿主操作系统分配和调度资源的程序，很像一个普通的进程（如 VMware Workstation、VirtualBox）。

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