挑戰408—— 操作系統（2）——用戶態與內核態
? 操作系統內核
操作系統的內核是指在計算機硬體上擴充的第一層軟體。通常是一些與硬體緊密相關的模塊。內核的實現是通過原語實現的，而原語又是由原子操作構成的。 原語是由若干指令構成的，用於完成一定功能的過程。而原子操作是指在這過程中的行為 ，要麼全做，要麼不做，不可中斷（以保證操作的完整性）。 操作系統主要包含以下功能：
- 時鐘管理（以後會講）
- 中斷處理（下篇會講）
- 原語操作（剛剛提到的）
核心態與用戶態
核心態（又稱為系統態），在此狀態下，能能執行一切指令，訪問所有的寄存器內容及存區域（用一句不嚴謹的話說，啥都能幹） 用戶態，是相對核心態而言的，在此狀態下，只能執行特定的一些指令，特定的一些寄存器和一些特定的區域。 那麼問題來了，為什麼要區分用戶態和核心態呢？原因很簡單，就是為了保護操作系統，因為操作系統中的一些重要數據，比如PCB，是不允許修改和破壞的。 記得我們上一篇博文提到過，系統調用，是系統提供的給應用程序使用內核功能的介面。它是用戶取得操作系統服務的唯一途徑。所以當用戶程序需要操作系統服務而而調用系統調用的時候，處理機應該從用戶態轉到核心態，當系統調用返回用戶程序的時候，處理機的狀態從核心態回到用戶態。
核心態與用戶態的轉換過程
在說這個問題之前，我們需要深入了解一下系統調用，我們前面知道，系統調用就是一個程序介面（注意，這不是指我們平時用的AIP，比如一些庫函數，一些自定義函數）。而操作系統中的各種共享資源由操作系統統一管理，因此，顯然對操作系統資源進行的操作都是在內核態進行的，包括我們後面要學到的各種管理（進程管理，I/O管理，內存管理等等）。顯然系統調用是一定運行在核心態。 那麼，我們可以得到大致的用戶態到核心態之間的一個轉換過程：
注意：這裡的調用和執行是不同的意思，調用是指引發系統調用的事件，這個時候程序仍然處於用戶態，執行的時候才是處於核心態。就比如系統調用，它被調用的時候，是在用戶態下被調用的，但是調用完了，執行的時候是在內核態執行的。又比如，在訪問內存的時候發生了缺頁，這個時候缺頁現象是發生在用戶態下，而怎麼處理缺頁的過程是在核心態下。 又用戶態到核心態的指令，稱為訪管指令，在用戶態下執行。與之對應的指令稱為特權指令，用於內核態向用戶態轉換。 導致切換的過程有兩個原因，一個是中斷，一個是異常。
中斷和異常
計算機在執行過程中，當出現異常或者特殊請求的時候，計算機停止現行程序的運行，轉向對這些異常情況或特殊處理的請求的處理，待處理完畢以後，再返回現行程序的間斷處，繼續執行原程序，這種現象我們稱之為中斷。 常見的中斷類型有，程序中斷，時鐘中斷，I/O中斷硬體中斷等等。 下面介紹一下中斷的相關術語：
- 中斷源 ：引起中斷髮生的事件
- 中斷響應：CPU收到中斷請求後轉去執行相應的事件處理程序
- 中斷屏蔽：在中斷請求產生後，系統用軟體方式有選擇得封鎖不封中斷，而允許其他中斷仍能得到響應。
- 關中斷：又稱禁止中斷，CPU內部處理機狀態字（PSW）（記住這個寄存器）中斷允許位被清除，不允許CPU響應中斷。
- 開中斷：與關中斷相反，CPU內部處理機狀態字（PSW）（記住這個寄存器）中斷允許位被恢復，允許CPU響應中斷。
- 中斷請求：中斷源向CPU發出的請求中斷處理信號
後面的三種方式均由硬體方式實現，顯然關中斷與開中斷是為了保證某些程序執行的原子性。不過某些中斷是不能被屏蔽的（如內部中斷），甚至是無法被屏蔽的，這些中斷一旦提出，CPU必須立刻相應。比如電源掉電中斷，等等。
中斷的分類
為什麼要分類？對中斷分類，能幫助操作系統對不同的中斷賦予不同的處理優先順序，以便當不同中斷同時發生時，該處理哪一個中斷。 根據中斷源產生的條件，可以把中斷分為外中斷和內中斷（都屬於硬中斷），其中，外中斷是指來自處理機外部和內存外部的中斷（如I/O中斷，外部信號中斷，其實就是我們一般上說的，狹義上的中斷）。而內中斷是指的處理機和內存內部產生的中斷，也稱為陷入（trap）或者異常。（比如常見的算術溢出，除數為0，地址非法，缺頁等等）。 對應於硬中斷，軟中斷主要是通信進程間模擬硬中斷的一種信號通信方式，了解即可。 這注意，所有的硬中斷的優先順序都高於軟中斷，各中斷的優先順序在系統設計初期給出，在運行過程中是不變的。
中斷的處理過程
- 檢查CPU相應中斷的條件是否滿足（是否有請求？優先順序如何？）
- 關中斷（使得CPU不能再次響應其他中斷）
- 保護中斷現場（以便處理結束返回中斷點）
- 分析中斷原因，調用中斷處理服務程序。（可通過硬體向量或者軟體查詢得到程序入口，具體這些是什麼，我也不知道）
- 執行中斷處理服務程序
- 退出中斷，恢復現場或者調用新的進程
- 開中斷
這裡注意（2）（7），這兩步把中斷處理的過程保護起來了，這種做法我們在後面的進程管理中還會遇到。而（4）中提到的中斷服務程序，上面的步驟僅作為了解，這裡給出大致的4個過程（很重要）：
a. 保護現場
b. 中斷服務
c. 恢復現場
d. 中斷返回
由於處理機狀態的切換要依賴於中斷和異常，因此，中斷機制是操作系統中所必須的一個機制。
做題感觸
- 中斷這部分內容感覺考得比較多
- 主要問題在於中斷的類型（懂得區分某個現象是哪種中斷類型），用戶態到內核態的轉變條件，轉變過程
- 與中斷現場有關的寄存器及其作用（PSW，PC）。
- 這應該是必考點，分值一般是一道選擇題，2分
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