CPU模式

1、CPU模式也称CPU状态。

通常将操作系统程序的运行状态称为内核态（或核心态、管态）。将用户程序的运行状态称为用户态（或目态）。

这样做的目的是为了确保操作系统的正常执行，程序的执行空间分为内核空间和用户空间，各自按不同的权限运行。

在逻辑上相互隔离，用户程序只能在用户空间中操作用户数据。许多操作系统采用硬件支持来区分各种执行模式。

---- 当CPU处于内核态时，程序可以执行全部指令包括特权指令，使用所有资源，具有改变CPU状态的能力；

---- 当CPU处于用户态时，程序只能执行非特权指令，如果用户程序执行特权指令，会导致非法执行而产生保护中断，

      继而转向操作系统的“用户非法执行特权指令”的异常处理程序进行处理。

特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令。如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、加载程序状态字（PSW）等。

2、状态转换

导致CPU从用户态-->内核态转换的情况

1）程序请求操作系统服务，执行系统调用。

2）程序运行时，产生中断或异常事件，运行程序被中断，转向中断处理或异常处理程序工作。

两类情况都通过中断机制发生，中断和异常是用户态到内核态转换仅有的途径。

当从用户态转向内核态，不仅CPU模式需要切换，而且所使用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换到内核堆栈。

以下图说明用户态到内核态的转换：

为了从内核态转向用户态，操作系统提供一条特权指令称作加载程序状态字，用来实现从内核态返回到用户态，

将控制权交给应用进程。

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内核态具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区，通常操作系统内核就运行在内核态。

用户态是一种具有较低特权的执行状态，它只能执行规定的指令，访问规定的寄存器和存储区。通常用户程序都是运行在用户态。

习题：

1）当操作系统程序退出执行，让用户程序执行时，系统会：从内核态变为用户态。

2）当CPU执行操作系统内核代码时，称处理器处于：内核态。

3）当CPU处于内核态时，它可以执行的指令是：计算机中的所有指令。

4）当CPU处于用户态时，它可以执行的指令是：仅限于非特权指令包括访管指令。

5）从用户态到内核态的转换是由硬件完成的。

A、硬件    B、内核态程序   C、用户程序    D、中断处理程序

解析：从用户态到内核态的转换是用户程序执行访管指令，引起一次中断，触发中断后，硬件中断机制将计算机状态置为用户态。

           内核态程序是指在内核态下执行的程序。

6）用户在程序中试图读取存放在硬盘中某文件的第2个逻辑块，使用操作系统提供的接口是：系统调用。

解析：操作系统接口有命令接口、程序接口（或系统调用）和图形接口，访问存放在外存储器中的文件，需要内核来实现，

           用户程序只能通过系统调用来完成这一工作。

7）一般的过程调用是调用一个应用过程或者某个系统程序，它们都处于同一状态下，即用户态或内核态。

     而系统调用的调用者是运行在用户态的用户程序，被调用过程一定是系统程序，而系统程序只能在系统态下运行。

8）访管指令仅在用户态时使用，执行访管指令将用户态转换为内核态。

     用户程序在执行访管指令时会产生访管中断。

9）在操作系统中，读时钟指令，寄存器清零、置时钟指令和取数指令中，只能在内核态下执行的指令是置时钟指令。

解析：若在用户态下执行置时钟指令，则一个用户进程可以在时间片还未到之前把时钟改回去，从而导致时间片永远不会用完。

10）内部中断是由CPU及内存的某种内部因素引起的，如运算溢出等，内部中断通常称为：自陷或陷入

11）外部中断是由CPU及内存外部的中断事件引起的，如I/O设备产生的中断。

12）通常将CPU模式分为内核态和用户态，这样做的目的是：为了提高操作系统的安全性。

13）中断的处理是由硬件和软件协同完成的，各中断处理程序是操作系统的重要组成部分，所以对中断的处理是在内核态在进行的。

14）如果没有中断，在单处理器环境中是否能够实现多道程序设计？为什么？

答：不能。因为一个程序一旦被调度执行，将一直执行下去，中间不可能被打断，不能达到多个进程交替执行的并发目的。

15）简述中断处理过程。

答：当中断发生时，一旦CPU响应中断，系统就开始进行中断处理。中断处理的过程如下：

（1）保护被中断进程的现场。为了在中断处理结束后能使进程正确地返回到中断点，系统必须保存当前处理器的程序状态字（PSW）

     和程序计数器（PC）等的值。

（2）分析中断原因，转去执行相应的中断处理程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源发出的中断请求。

（3）恢复被中断进程的现场，CPU继续执行原来被中断的进程。