标签：操作系统 中断 指令 概述 内核 异常 CPU

操作系统概念

脱机命令接口又称批处理命令接口，适用于批处理系统。
联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统。
程序接口由一系列系统调用（即广义指令）组成。 GUI是通过调用程序接口实现的。

没有任何软件支持的计算机叫做裸机。
覆盖了软件的机器叫做扩充机器或虚拟机。

操作系统的特征

操作系统的发展

多任务操作系统
https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%9A%E4%BB%BB%E5%8A%A1%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/853599

操作系统的运行机制

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序。
操作系统内核程序运行在核心态，应用程序运行在用户态。

大多数操作系统的内核包含以下四方面内容：

1. 时钟管理
2. 中断机制（只有一小部分属于内核，负责保护和恢复中断现场，转到中断处理程序）
3. 原语
4. 系统控制的数据结构以及操作
   1. 进程管理：进程状态管理、进程调度、创建和撤销PCB等。
   2. 存储器管理：存储器空间的分配与回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。
   3. 设备管理：缓冲区管理、设备分配和回收等。

核心态指令实际上包括系统调用类指令以及一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

用户程序需要先执行陷入（Trap）指令，也叫访管指令，进入到内核态。再执行特权指令（如系统调用等）。
由用户态进入内核态，不仅状态需要切换，而且所用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换为系统堆栈（还是属于该进程的）。

中断与异常

中断，是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。也是用户态程序进入核心态的途径。

如果没有中断机制，程序一旦上CPU，就会一直运行下去，也就没有并发的能力。
早期的中断技术是为了处理数据传送。后来中断渐渐地被赋予更多的功能：

• 实现CPU与I/O设备的并行工作
• 处理硬件故障与软件异常
• 实现人机交互。（用户干预机器需要用到中断系统）
• 实现多道程序、分时操作，多道程序的切换。
• 实现实时处理、快速响应。
• 实现用户态与内核态的切换。（称为“软中断”）
• 多处理器系统中各处理器之间的信息交流与任务切换。

对异常和中断的处理由操作系统（和驱动程序）完成。

异常（内中断）

异常是CPU在执行一条指令时，由CPU在其内部检测到的、与正在执行的指令相关的同步事件。

• 程序性异常（软件中断）：在CPU内部因执行指令而引起的中断
  • 故障（Fault）——取指~执行阶段期间，不一定要终止
    • 指令译码出现“非法操作码”（必须终止）
    • 取数据时发生“缺页”（调入页面后，返回当前指令继续执行）
    • 执行除数指令时发现“除数为0”（必须终止）
    • ......
  • 自陷（Trap）——CPU根据不同的Trap指令做相应处理后，返回当前指令的下一条执行。
    • 转移指令（例外，返回到转移目标指令执行）
    • x86中的断点调试的单步跟踪功能
    • 系统调用
    • 条件自陷指令（MIPS中的teq、teqi、tne、tnei等）
• 硬故障中断（与外中断都叫做硬件中断）：在CPU内部因硬连线出现故障而引起的中断
  • 中止（Abort）——必须终止
    • 控制器出错
    • 存储器校验错
    • ......

中断（外中断）

中断是一种典型的由外部设备处罚的、与当前正在执行指令无关的异步事件。
包括I/O设备发出的I/O中断（如打印机缺纸、键盘输入等）、或发生某种事件（如按Esc键，定时器计数时间到等）。CPU每执行完一条指令就检测是否由中断信号，如果有，则进入中断相应周期。

• 可屏蔽中断
  • 通过可屏蔽中断请求线（INTR）向CPU发送的中断请求。CPU可以在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽它。
• 不可屏蔽中断
  • 通过不可屏蔽中断请求线（NMI）向CPU发送的中断请求。通常是非常紧急的硬件故障，如电源掉电等。

中断和异常的响应

从CPU检测的异常或中断事件，到调出相应的处理程序，这个过程称为中断和异常的响应。
响应过程可分为：关中断、保存断点和程序状态、识别中断和异常并转到相应的处理程序。
整个中断响应过程是由软硬件协同实现的。

1. 关中断

在保存断点和程序状态期间，不允许被新的中断打断。通常通过设置“中断允许”（IF）触发器来实现。1为开中断，0为关中断。

2. 保存断点和程序状态

为了能在处理完中断和异常后正确地返回到被中断的程序执行，必须将程序的断点（返回地址）送到栈或特定寄存器中。通常保存在栈中，以便更好地支持中断和异常的嵌套。除此之外，还要将程序被中断时的PSWR（程序状态字寄存器）中的内容保存在栈或特定寄存器中，在返回时恢复到PSWR中。

3. 识别中断和异常并转到相应的处理程序

异常大多采用软件识别的方式。中断可以采用软件识别或硬件识别的方式。

  - 软件识别

CPU设置一个异常状态寄存器，用于记录异常原因。
操作系统使用一个统一的异常或中断查询程序，按优先级查询异常状态寄存器，然后转到内核中相应的处理程序。

  - 硬件识别（向量中断）

中断处理程序的首地址称为中断向量，所有中断向量存放在中断向量表中，并与中断类型号一一对应。
操作系统根据中断类型号快速找到中断向量，从而找到对应的中断处理程序。

优先级排序：

• 一般来说，不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断
• 内部异常中，硬件故障 > 软件中断
• DMA中断请求 > I/O设备传送的中断请求
• I/O传送类请求中，高速设备 > 低速设备 输入设备 > 输出设备 实时设备 > 普通设备

中断优先级包括响应优先级和处理优先级，响应优先级在硬件线路上是固定的，不便改动；处理优先级可利用中断屏蔽技术动态调整，以实现多重中断。

CPU响应中断后，经过中断隐指令，转去执行中断服务程序。
中断隐指令是由硬件直接实现的，并不是一条真正的指令，是硬件的一系列操作。

原程序的断点（指令无法直接读取的PC和PSW的内容），中断的断点通常是下一条指令的地址，异常的断点通常是当前指令的地址。
x86中 将PC和PSW保存到内存栈中。
MIPS中 没有PSW，只保存PC到特定寄存器中。

现场和断点，都不能被中断服务程序破坏。
现场信息因为可被指令直接访问，所以通常在中断服务程序中通过指令把它们保存在栈中。（即由软件实现）
断点信息由CPU在响应中断时自动保存在栈或特定寄存器中。（即由硬件实现）

操作系统结构

分层结构

特点：单向依赖。
优点：

1. 便于系统的调试与验证，简化了设计与实现

如果在调试某层时没有问题，说明其底层都没有问题。

2. 易扩充与维护

在系统中增加、修改或替换一层中的模块或整层时，只要不改变相应层间的接口，就不会影响到其他层。
缺点：

1. 合理定义各层比较困难

依赖关系一旦确定，就会显得不够灵活。

2. 效率较差

操作系统每执行一个功能，通常要自上而下的穿越很多层，各层之间都有通信机制，所以增加了许多开销。

模块结构

衡量模块独立性的两个标准：

• 内聚性：模块内部各部分联系的紧密程度。内聚性越高，模块独立性越好。
• 耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度。耦合度越低，模块独立性越好。

优点：

1. 提高了系统设计的正确性、可理解性和可维护性。
2. 增强了系统的可适应性。
3. 加速了系统的开发过程。

缺点：

1. 模块间的接口规定很难满足对接口的实际需求。
2. 各模块设计者齐头并进，每个决定无法建立在上一个已验证的正确决定的基础上，因此无法找到一个可靠的决定程序。

内核结构

宏内核

将操作系统的主要功能模块作为一个紧密联系的整体运行在核心态。从而为用户程序提供高性能的系统服务。
优点：
由于各管理模块之间共享信息，能有效利用各自的特性，所以具有很大的性能优势。

微内核

在宏内核的基础上，将一些非核心的功能转移到用户空间，只保留最基本的功能在内核。
移出内核的功能根据分层或模块化的原则被划分为若干服务程序。它们的执行相互独立，交互则都借助于微内核进行通信。
因此，微内核将操作系统的结构划分为两大部分：微内核和多个服务器。
并且机制（微内核功能）与策略（服务器功能）分离。

微内核功能（机制）主要包括：

1. 进程（线程）管理（调度、切换与同步等）
2. 低级存储器管理（如页表映射、地址变换机制）
3. 中断与异常响应（识别中断或异常事件后，发送给相关的服务器处理）
4. 客户端与服务器之间的通信（消息传递机制等）

而操作系统的绝大部分功能（策略）都放在微内核外的一组服务器（进程）中实现。

例如：

• 进程（线程）服务器：提供对进程（线程）的管理（用户进程如何分类，优先级的确认方式等）
• 虚拟存储器服务器：提供对虚拟存储器的管理（采用何种页面替换算法，何种内存分配与回收策略等）
• .......

它们都是作为进程来实现的，运行在用户态。

客户端与服务器的通信借助微内核中的消息传递机制。

优点：

1. 拓展性与灵活性

许多功能从内核中剥离出来，当需要修改某些功能或增加新功能时，只需要修改相应的服务器就可。

2. 可靠性与安全性

一个服务器中的错误只会使对应的功能模块崩溃，不会使整个系统内核崩溃（对应宏内核）。

3. 可移植性

只有微内核中会有与CPU和I/O硬件相关的代码，其他在各服务器中的代码均与硬件平台无关。

4. 分布式计算

客户端/服务器模式可以很好地支持分布式系统和网络系统。

外核结构

相对于虚拟机克隆真实机器，另一种策略是对机器进行分区，给每个用户整个资源的一个子集。
在其底层，外核（exokernel）在内核态运行，为各虚拟机分配资源，保证它们互斥。每个虚拟机可以运行自己的操作系统，但限制只能使用自己的资源。
优点：

1. 减少了映射层
2. 将多道程序（在外核内）与用户操作系统代码（在用户空间内）加以分离

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