03 操作系统的运行机制和体系结构

1.什么是指令

• C语言代码-----翻译------->机器语言指令(一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令)
• 指令：CPU能识别、执行的最基本命令，例如：加法指令就是让CPU进行加法运算

2.两种指令、两种处理器状态、两种程序

• 新的问题：

  • 有的指令“人畜无害”，例如：加减乘除这些普通的运算指令。
  • 有的指令有很高的权限。例如：内存清零指令。如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。

• 两种指令

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

• CPU如何判断当前是否可以执行特权指令？

  • 两种处理器状态：用程序状态寄存器PSW中的某个标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为内核态
    • 用户态，此时CPU只能执行非特权指令
    • 内核态，此时CPU特权指令、非特权指令都可以执行

• 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，也可以执行非特权指令，运行在内核态。
  • 应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

3.操作系统的内核

• 操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

• 原子性：程序要么不执行，要么一直被执行到结束。其运行只能一气呵成，中间不能被中断。

  操作系统的内核.png

• 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。

  操作系统内核功能.png

• 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，运行在内核态
    • 优点：高性能
    • 缺点：内核代码庞大、结构混乱、难以维护
  • 微内核：只把最基本的功能保留在内核
    • 优点：内核功能少、结构清晰、方便维护
    • 缺点：需要频繁地在用户态和内核态之间切换，性能低
  大内核与微内核.png