2.操作系统运行环境和运行机制

2.1处理器状态

中央处理器（CPU）：由运算器、控制器、一系列的寄存器和高速缓存构成。

两类寄存器：

（1）用户可见寄存器：高级语言编译器通过优化算法分配并使用之，以减少程序访问内存次数；

（2）控制和状态寄存器：用于控制处理器的操作，通常由操作系统代码使用。

a.用于控制处理器的操作

b.在某种特权级别下可以访问、修改

常见的控制和状态寄存器：

a.程序计数器：记录将要取出的指令的地址

b.指令寄存器：记录最近取出的指令

c.程序状态字：记录处理器的运行状态如条件码、模式、控制位等信息

操作系统对硬件的需求——保护：需要硬件提供基本运行机制：（1）处理器具有特权级别，能在不同的特权级运行的不同指令集合

                                                                                                                （2）硬件机制可将os与用户程序隔离

因此，现代处理器通常将CPU状态设计划分为两种、三种或四种。在程序状态字寄存器PSW中专门设置一位，根据运行程序对资源和指令的使用权限而设置不同的CPU状态。

操作系统需要两种CPU状态：（1）内核态：运行操作系统程序——特权指令：只能由操作系统使用，用户程序不能使用的指令

                                                     （2）用户态：运行用户程序——非特权指令：用户程序可以使用的指令。

CPU状态之间的转换：（1）用户态——>内核态：唯一途径——>中断/异常/陷入机制，其中陷入指令又称访管指令，提供给用户程序的接口，用于调用操作系统的功能。例如（int，trap,syscall）

                                         （2）内核态——>用户态：设置程序状态字PSW

 2.2中断与异常机制

操作系统是由“中断驱动 ”或者“事件驱动”的。

中断/异常机制主要作用：

（1）及时处理设备发来的中断请求

（2）可使OS捕获用户程序提出的服务请求

（3）防止用户程序执行过程中的破坏性活动。    

中断/异常的概念：CPU对系统发生的事件作出的一种反应。

中断的引入是为了支持CPU和设备之间的并行操作，设备完成输入/输出后，通过向CPU发送中断报告此次结果。

异常的引入是表示CPU执行命令时本身出现的问题。如算术溢出、除零、取数时的纠错，这是硬件改变了CPU的执行流程，转到相应的错误处理程序或异常处理程序或执行系统调用。       

事件：（1）中断（外中断）

                    a.I/O中断

                    b.时钟中断

                    c.硬件故障

            （2）异常（内中断）               

                    a.系统调用

                    b.页故障/页错误

                    c.保护性异常

                    d.断点指令

                    e.其他程序性异常（如算术溢出等）

2.3中断/异常机制工作原理

中断/异常机制：硬件和软件相互配合而使计算机系统得以充分发挥能力。

硬件——中断/异常响应：捕获中断源发出的中断/异常请求，以一定方式响应，将处理器的控制权交给特定的处理程序。

软件——中断/异常处理程序：识别中断/异常类型并完成相应的处理。

中断响应：发现中断、接受中断的过程，由中断硬件部件完成。

处理器控制部件中设有中断寄存器。

中断响应过程：开始——>取下一条指令——>执行指令

中断向量表：由若干中断向量组成，即若干内存单元，存放中断处理程序入口地址和程序运行时所需的处理机状态字。

中断处理程序：设计操作系统时，为每一类中断/异常事件编号相应的处理程序，并设置好中断向量表。

系统运行时若响应中断，终端硬件部件将CPU控制权转给中断处理程序：

（1）保存相关寄存器信息；

（2）分析中断/异常的具体原因；

（3）执行对应的处理功能；

（4）恢复现场，返回被事件打断的程序。

2.4 X86处理器的中断/异常机制

中断：由硬件信号引发，分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

异常：由指令执行引发的，比如除零异常，80X86处理器发布了大约20种不同的异常，对于某些异常，CPU会在执行异常处理程序之前产生硬件出错码，并压入内核态堆栈。

系统调用：特殊异常，从用户态到内核态的唯一入口

中断控制器（PIC或APIC）：负责将硬件的中断信号转换为中断向量，并引发CPU中断。

实模式：中断向量表，存放中断服务程序的入口地址。入口地址=段地址左移4位+偏移地址；不支持CPU运行状态切换；中断处理与一般的过程调用相似。

保护模式：中断向量表改为中断描述符表，采用门描述符数据结构表示中断向量。

中断向量表/中断描述符表：

（1）任务门

 （2）中断门：a.给出段选择符，中断/异常程序的段内偏移量

                           b.通过中断门后系统会自动禁止中断

（3）陷阱门：a.与中断门类似，但通过陷阱门后系统不会自动禁止中断。

（4）调用门

中断/异常的硬件处理过程：（1）确定与中断或异常关联的向量i;

                                                 （2）通过IDTR寄存器找到IDT表，获得中断描述符

                                                 （3）从GDTR寄存器获得GDT的地址；结合中断描述符中的段选择符，在GDT表获取对应的段描述符；从该段描述符中得到中断或异常处理程序所在的段基址

                                                 （4）特权级检查

                                                 （5）检查是否发生了特权级的变化，如果是，则进行堆栈切换（必须使用与新的特权级相关的栈）

                                                 （6）硬件压栈，保存上下文环境；如果一场产生了硬件出错码，也将它保存在栈中

                                                 （7）如果是中断，清IF位

                                                 （8）通过中断描述符中的段内偏移量和段描述符中的基地址，找到中断/异常处理程序的入口地址，执行其第一条指令。

2.5系统调用机制——操作系统向用户程序提供的接口

系统调用：用户在编程时可以调用的操作系统功能。

系统调用的作用：

（1）系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口

（2）使CPU状态从用户态陷入内核态

典型系统调用举例：每个操作系统都提供几百种系统调用（进程控制、进程通信、文件使用、目录操作、设备管理、信息维护等）

系统调用机制的设计：

（1）中断/异常机制：支持系统调用服务的实现

（2）选择一条特殊指令：陷入指令（亦称访管指令）：引发异常，完成用户态到内核态的切换

（3）系统调用号和参数：每个系统调用都事先给定一个编号（功能号）
（4）系统调用表：存放系统调用服务例程的入口地址

参数传递过程问题：常用以下三种方法实现用户程序的参数传递给内核 ：

（1）由陷入指令自带参数：陷入指令的长度有限，且还要携带系统调用功能号，只能自带有限的参数

（2）通过通用寄存器传递参数：这些寄存器是操作系统和用户程序都能访问的，但寄存器的个数会限制传递参数的数量，常用。

（3）在内存中开辟专用堆栈区来传递参数

系统调用的执行过程：当CPU执行到特殊的陷入指令时：

（1）中断/异常机制：硬件保护现场，通过查中断向量表，把控制权转给系统调用总入口程序；

（2）系统调用总入口程序：保存现场，将参数保存在堆栈里，通过查系统调用表把控制权转给相应的系统处理例程或内核函数；

（3）执行系统调用例程；

（4）恢复现场，返回用户程序。