第一章 计算机系统概述：操作系统运行环境和操作系统结构

1.3 操作系统运行环境

一、CPU 执行的程序类型

操作系统内核程序：

• 是唯一能使用特权指令的程序，属于计算机底层软件，管理系统的各种资源。
• 核心功能： 时钟管理、中断机制（仅小部分属于内核）；
• 原语： 最基础的可调用公共小程序；
• 系统资源管理： 进程管理、存储器管理、设备管理。

用户自编程序（应用程序）：

• 不允许执行特权指令。

二、运行模式切换（通过 PSW 程序状态字控制器实现）

两种状态：

• 用户态（目态）；
• 核心态（管态、内核态）—— 需与“发生”类概念区分，核心态下可执行特权指令（如输入/输出指令、时钟指令、系统调用指令等）。

状态切换方式：

• 内核态→用户态：执行一条修改 PSW 的特权指令；
• 用户态→内核态：由中断引起，硬件自动完成（这是用户态进入内核态的唯一途径）。

三、中断和异常

中断概念：

• 使操作系统内核强行夺回 CPU 控制权，让 CPU 从用户态切换到内核态。

中断分类：

类型	子分类	触发原因 & 处理	补充说明
内中断（异常）	访管 / 自陷（trap）	由陷入指令引发，用于调用内核功能（如缺页故障、非法操作码）	属于软件中断（程序性异常）
	故障（fault）	由错误条件引发，修复后可继续执行程序
	终止（abort）	由指令错误引发，无法修复，会终止应用程序
外中断（狭义中断）	时钟中断	由时钟信号触发	属于硬件中断
	I/O 中断请求	由 I/O 设备请求触发	注：外部中断时，PC 值由中断隐指令自动保存，通用寄存器内容由 OS 保存。

四、中断机制的基本实现原理

检查中断信号：

• 内中断：CPU 执行指令时检查是否有异常；
• 外中断：每个指令周期末尾，CPU 检查是否有外中断信号。

找到中断处理程序：

• 通过中断向量表实现（与子程序调用的区别：中断处理需同时保存断点和 PSW 内容）。

五、系统调用

概念：

• 操作系统提供给应用程序的接口，使应用程序能请求内核服务（只能通过用户程序间接使用）。

系统调用与库函数的区别：

• 部分库函数是系统调用的封装；
• 部分库函数不依赖系统调用。

使用场景：

• 设备管理、文件管理、进程管理、进程控制、内存管理。

执行过程：

• 用户态传参 → 用户态陷入指令 → 核心态系统调用 → 返回用户态应用程序。

1.4 操作系统结构

计算机系统的层次结构（从下到上）：

1. 裸机（纯硬件）；
2. 操作系统内核（时钟管理、中断处理、原语等）；
3. 操作系统功能层（进程管理、存储器管理、设备管理等）；
4. 非内核功能（如 GUI）；
5. 应用程序（软件）；
6. 用户。

注：

• 内核中的原语是具有原子性的特殊程序，运行时不可被中断；若仅将原语层视为内核，则称为微内核。

操作系统内核框架分类

结构类型	核心特点	优点	缺点	典型案例
宏内核（大内核、单内核）	系统功能都在内核中，运行于核心态	高性能，内核内部功能可直接调用	内核代码庞大、结构混乱，维护困难；某功能出错可能导致系统崩溃	Windows、Android、iOS
微内核	仅将最基础功能（时钟、中断、原语、进程通信等）放在内核中，其余功能在核外	结构清晰、方便维护、可靠性高	需频繁在核心态与用户态间切换，性能低	Windows NT
分层法	内核分为多层，每层仅能调用紧邻的底层功能	结构清晰，便于调试和验证；易于扩充和维护	设计困难，难界定层边界；效率低，执行时间长	-
模块化	内核划分为主模块 + 可加载模块，模块间协作	逻辑清晰、易于维护；可动态加载模块；模块间直接调用，效率高	模块太多，接口难定义；调试困难	-
外核	内核负责进程调度等，外核负责硬件资源的分配、回收、保护	用户可灵活使用硬件资源，减少虚拟资源映射层，提高效率	降低系统一致性，系统复杂度增加	-