4-操作系统的运行机制以及体系结构

运行机制

指令的概念

“指令”就是处理器（CPU）能够识别，执行的最基本命令

一般而言，指令可以由高级语言（C，Java，C++）翻译而来，一条高级语言的代码翻译过来可能对应多条指令

一些诸如基本运算的指令（加减乘除）不会影响到系统的安全性，但也有一些指令具有很高权限，例如内存清零指令，如果所有用户都可以执行任意指令，势必会影响到系统的安全性，因此就需要对指令进行分类

指令的分类

• 特权指令：不允许用户程序使用，如内存清零指令
• 非特权指令：如普通的运算指令（加减乘除）

经过分类后我们还需要考虑，CPU如何判断当前状态是否可以执行特权指令

处理器的两种状态

• 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
• 核心态（管态）：此时CPU特权指令和非特权指令都可以执行

处理器的状态由程序状态字寄存器（PSW）中的某个标志位来标识，如0为用户态，1为核心态

两种程序

• 内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，又可以执行非特权指令，运行在核心态
• 应用程序：为了保证系统安全运行，只能执行非特权指令，运行在用户态

操作系统的内核

上图中所提到的原语具有原子性，即其运行只能一次全部执行完毕，不可以中断，所以原语要么不执行，要么一次性执行完毕

操作系统的内核

内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本，最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

内核程序的划分对于不同操作系统是不完全一致的

操作系统的体系结构

最经典的操作系统体系结构是大内核与微内核

大内核

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态

• 优点：性能高
• 缺点：内核代码庞大，结构复杂，难以维护

微内核

只保留操作系统最基本的功能在内核

• 优点：内核功能少，结构清晰，易于维护
• 缺点：需要频繁的在核心态和用户态之间切换，性能较低

类比