挑戰408 作業系統(2) 使用者態與核心態

2021-08-29 01:57:01 字數 2208 閱讀 3066

作業系統的核心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組。核心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)。

作業系統主要包含以下功能:

在說這個問題之前,我們需要深入了解一下系統呼叫,我們前面知道,系統呼叫就是乙個程式介面**(注意,這不是指我們平時用的aip,比如一些庫函式,一些自定義函式)。而作業系統中的各種共享資源由作業系統統一管理,因此,顯然對作業系統資源進行的操作都是在核心態進行的,包括我們後面要學到的各種管理(程序管理,i/o管理,記憶體管理等等)。顯然系統呼叫是一定執行**在核心態。

那麼,我們可以得到大致的使用者態到核心態之間的乙個轉換過程:

注意:這裡的呼叫和執行是不同的意思,呼叫是指引發系統呼叫的事件,這個時候程式仍然處於使用者態,執行的時候才是處於核心態。就比如系統呼叫,它被呼叫的時候,是在使用者態下被呼叫的,但是呼叫完了,執行的時候是在核心態執行的。又比如,在訪問記憶體的時候發生了缺頁,這個時候缺頁現象是發生在使用者態下,而怎麼處理缺頁的過程是在核心態下。

又使用者態到核心態的指令,稱為訪管指令,在使用者態下執行。與之對應的指令稱為特權指令,用於核心態向使用者態轉換。

導致切換的過程有兩個原因,乙個是中斷,乙個是異常。

計算機在執行過程中,當出現異常或者特殊請求的時候,計算機停止現行程式的執行,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,再返回現行程式的間斷處,繼續執行原程式,這種現象我們稱之為中斷

常見的中斷型別有,程式中斷,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:

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式執行的原子性。不過某些中斷是不能被遮蔽的(如內部中斷),甚至是無法被遮蔽的,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,能幫助作業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,該處理哪乙個中斷。

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記憶體外部的中斷(如i/o中斷,外部訊號中斷,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記憶體內部產生的中斷,也稱為陷入(trap)或者異常。(比如常見的算術溢位,除數為0,位址非法,缺頁等等)。

對應於硬中斷,軟中斷主要是通訊程序間模擬硬中斷的一種訊號通訊方式,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,在執行過程中是不變的。

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,呼叫中斷處理服務程式。(可通過硬體向量或者軟體查詢得到程式入口,具體這些是什麼,我也不知道)

執行中斷處理服務程式

退出中斷,恢復現場或者呼叫新的程序

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程序管理中還會遇到。而(4)中提到的中斷服務程式,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,中斷機制是作業系統中所必須的乙個機制。

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型別(懂得區分某個現象是哪種中斷型別),使用者態到核心態的轉變條件,轉變過程

與中斷現場有關的暫存器及其作用(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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