操作系统的运行机制

1.程序的运行原理：

1.CPU执行指令的过程

1. C语言代码在编译器上“翻译”，得到二进制的机器指令。
2. 一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令。
3. 对于CPU来说，机器指令才是"能看得懂"的语言。
4. 程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程。

2.注意点

• “指令”就是处理器（CPU)能识别、执行的最基本命令
• 注:很多人习惯把Linux、Windows、MacOS的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。

本节中的“指令”指二进制机器指令。

2.两种指令

在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，
因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型。

1.特权指令

操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，

如:内存清零指令。这些指令影响重大，
只允许“管理者”―—即操作系统内核来使用。

2.非特权指令

应用程序只能使用“非特权指令”，如:加法指令、减法指令等。

3.两种处理器状态

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”。

1.核心态

处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，
此时可以执行特权指令。

2.用户态

处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，
此时只能执行非特权指令。

3.CPU的状态控制

• CPU中有一个寄存器叫程序状态字寄存器（PSW)
• 其中有个二进制位，1表示“内核态”，0表示“用户态”
• 内核态=核心态=管态;
• 用户态=目态.

4.内核态，用户态的切换

1.内核态→用户态:
执行一条特权指令――修改PSW的标志位为“用户态”，
这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权。

2.用户态→内核态:
由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，
触发中断信号意味着操作系统将强行夺回cPu的使用权。

3.非法事件的处理

当遇到非法事件时，会引发一个中断信号：
CPU检测到中断信号后，会立即变为“核心态”，
并停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序。

补充：

• 除了非法使用特权指令之外，还有很多事件会触发中断信号。
• 一个共性是，但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号。
• 操作系统内核在让出CPU之前,会用一条特权指令把 PSW的标志位，设置为“用户态”。

4.两种程序

1.内核程序

1.定义
微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，
他们写的是“内核程序
由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”
内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分。

2.注意事项
甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了
(eg:Docker一>仅需Linux内核）。

操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面GUI。

2.应用程序

我们普通程序员写的程序就是“应用程序”。