操作系统8-2 运行机制

在处理器的存储保护中，主要有两种权限状态，一种是核心态(管态)，也被称为特权态;一种是用户态(目态）。核心态是操作系统内核所运行的模式，运行在该模式的代码，可以无限制地对系统存储、外部设备进行访问。屏蔽中断只能在内核态下进行，不然将导致问题。屏蔽中断属于特权指令，只能是在系统内核态下运行。
分时操作系统追求的目标是及时响应用户输入的交互命令。
批处理：批量自动执行多个作业，提高 CPU 利用率；资源利用率高，适合大批量无交互任务；无交互响应慢。
分时：划分时间片轮流分给多个用户，同时联机交互使用；交互性好、多用户同时使用&相互独立；切换开销，无法保证紧急任务限时响应。
实时：规定时限内快速响应外部事件；响应快、优先级调度；系统吞吐率较低。
嵌入式：控制智能设备完成特定功能。；体积小、功耗低；功能单一，软硬件绑定，可移植性差。分布式：资源共享、多机协同工作；可扩展、容错性强、算力强、负载均衡；依赖网络，系统设计复杂，运维难度大。
进程是操作系统结构的基础;是一次程序的执行;是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。中断服务程序，处理器处理"急件"，可理解为是一种服务，是通过执行事先编好的某个特定的程序来完成的，这种处理"急件"的程序被称为中断服务程序。中断服务程序是固定在某个地址的代码段，没有进程的概念。****中断属于硬件触发的底层机制，运行在内核态上下文，没有独立的进程控制块，不参与进程调度，不能作为进程管理。****中断发生时会打断当前正在运行的进程，快速执行完中断处理后返回原进程，不属于独立进程。
中断是所有要打断处理器的正常工作次序，并要求其去处理某一事件的一种常用手段。把引起中断的那些事件成为中断事件或中断源。
紧急事件"须向处理器提出申请(发一个电脉冲信号)，要求"中断"，即要求处理器去处理"我的急件"，这一"申请"过程，称中断请求。
中断发生后，处理器暂停当前程序转而处理中断的过程称为中断响应。
程序状态字寄存器PSW记录了处理器的运行模式信息等，有的处理器中它还包含了条件码;程序计数寄存器PC他用于指出处理器下一条要执行 的指令的特殊寄存器。
中断向量表，即中断服务程序入口地址表。
关闭中断响应指令属于特权指令，用户程序不能直接执行，必须要使CPU陷入核心态，由操作系统来执行该特权指令，因此该程序必须先发起访管中断，这是让CPU由用户态向核心态转换的方法。
进程运行时状态发生转换的原因是发生中断，不希望被外部事件打扰只有设置程序状态字寄存器(PSW)的IF中断标志位，设置为I为0屏蔽中断。
处理器的程序状态字(PSW)通常包括标志位有:进位标志位(CF)、结果为零标志位(ZF)、符号标志位(SF)和溢出标志位(OF)。有时候这四种标志位为标准条件位:++陷阱标志位(TF)、中断使能(中断屏蔽)标志位(正F)、虚拟中断标志位(VIF)和虚拟中断待决标志位(VIP)++。
处理器的程序状态字(PSW)包含的状态码主要有CPU的工作状态代码;条件码、中断屏蔽码，不包含有效位。
中断是由外部事件引发的，而 异常则是由正在执行的指令引发 的。典型的异常包括:1程序性中断:在某些条件下由指令执行结果产生，例如算术溢出、被零除、目态程序试图执行非法指令、访问不被允许访问的存储位置、虚拟存储中的缺页等:2访管指令异常:目的是要求操作系统提供系统服务。典型的中断包括:时钟中断、输人输出(IO)中断。、控制台中断、硬件故障中断。
对于程序计数器、指令寄存器操作的指令都是特权指令，只能在内核态 下运行。对于PSW程序状态字寄存器操作的指令,部分属于特权指令，部分是非特权指令，如设置移位方向标志位(DF位)则是非特权指令。在操作系统中，既可以在内核态下运行又可以在用户态下运行的指令是设置移位方向标志位。
在系统调用的参数传递过程中，不同的系统调用需要传递给系统子程序以不同的参数，:系统调用的返回值是通过【通过专用堆栈区】方式传递的
:执行系统调用时可以采用多种方式传递参数：利用通用寄存器传递参数、利用管道传递参数、利用专用堆栈区传递参数。
DMA方式的数据块传送过程可分为三个阶段:传送前预处理、数据传送、传送后处理 。预处理 阶段-由CPU执行I/O指令对DMAC进行初始化与启动。数据传送 阶段-由DMAC控制总线进行输出。后处理阶段传送结束，DMAC向CPU发中断请求，报告DMA操作结束。DMA方式一般用于高速传送组成的数据，优点是操作均由硬件电路实现，传输速度快。
一个计算机系统提供的中断源的有序集合一般称为中断字。中断源指的就是中断请求，所谓中断字是指中断请求的编号。
中断是由外部事件引发的，而异常则是由正在执行的指令引发的。
中断是由外部事件引发 的，而异常是由正在执行的指令引发的，算术溢出，内存保护出错和目态程序试图执行 特权指令 ，都属于异常;而网卡上数据缓冲区满属于中断。
操作系统提供给用户的接口是命令输入和系统调用。
在 Unix/Linux 系统中，write() 是一个标准的系统调用；printf()这是 C 语言的标准库函数，不是系统调用。
用户程序中 不能 使用特权指令 。所以当用户程序占用CPU时,应让CPU在目态下工作。若此刻取到了一条特权指令.则CPU将拒绝执行该指令,并形成一个"非法操作"事件。中断机制识别倒该事件后转交给操作系统去处理,由操作系统通知用户"程序中有非法指令"。
系统调用 是应用程序请求操作系统核心完成某一特定功能的一种过程调用，与一般调用的最大区别就是调用程序运行 在用户态 ，而被调用程序则运行在系统态。
普通过程调用：调用者和被调用者都在用户态运行；系统调用：调用者在用户态，被调用者在系统态，触发一个CPU模式切换，从用户态跃升到内核态。
光盘读取错误通常是设备IO错误，可由操作系统处理，不一定是硬件故障中断(可能只是一次读取失败)。看门狗是正常机制，用于检测系统死锁，不是故障中断。蓝屏通常由硬件故障(如内存损坏、CPU过热)、驱动错误等严重问题引发，系统会触发硬件故障中断或异常，然后进行内存转储。正确。对只读内存区域实施"写入"操作会产生保护异常(如页错误)，属于软件异常。
所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的异步事件的响应 。异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。执行访管指令表示从系统状态从目态到管态的转换，属于异常。当系统串口数据抵达，CPU需要中断当前处理的程序，从而处理到达的串口数据。
若用户数为100，为保证响应时间≤100ms;则时间片设置为100ms/100=1ms比较合适。
操作系统的主要功能是为管理硬件资源和为应用程序开发人员提供良好的环境来使应用程序具有更好的兼容性，为了达到目的，内核提优理系易备预定功能的多内核函数，通过一组称为系统调用。用户需求动态请求和释放系统资源属于操作系统的职责，可以通过系统调用。
由操作系统实现提供的所有系统调用所构成的集合即程序接口或应用编程接口，是应用程序同系统之间的接口。调用程序多次嵌套与递归是系统调用无法实现的功能。过程调用和系统调用均可以嵌套使用。普通过程调用、系统调用都支持嵌套，系统调用可以嵌套，并非不能嵌套递归。
系统调用就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能。系统调用命令 是作为扩充机器指令，增强系统的功能，方便用户使用而提供的。因此系统调用可以看作是操作系统 提供给用户程序 的服务。
由于操作系统的特殊性，应用程序不能采用一般的过程调用方式来调用这些功能过程，而是利用一种系统调用命令去调用所需的操作系统过程。因此，系统调用在本质上是应用程序请求操作系统核心完成某一特定功能的一种过程调用，是一种特殊的过程调用。所以系统调用不允许 直接调用，一般过程调用允许直接调用。
实现用户程序和系统程序之间的参数传递主要方法有以下几种:1由陷入指令自带参数。2通过有关通用寄存器来传递参数。
中断是指由CPU以外的事件引起的中断，如IO中断，时钟中断，控制台中断等;异常是指来自CPU的内部事件或程序执行中的事件引起的过程，如硬件故障中断等。典型异常包括:程序性中断、访管指令异常。程序性中断如:算术溢出、被零除、虚拟存储中缺页等。
所谓多道程序设计指的是允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。从微观上看部分程序使用CPU，部分程序使用外部设备。从宏观上看，CPU与外部设备始终可以并行工作，这样可以使得CPU的运行效率达到最大化，不至于空闲。
而统调用中序运行在用用程序运行在不同的系统状态，所以需要通过软中断机制，即陷入机制，从调用程序所在的用户态转到被调用程序的核心态。
过程调用和系统调用均可以嵌套使用。
对于一般通用的操作系统而言，可将其所提供的系统调用分为以下几个方面：1进程控制类系统调用:这类系统调用主要是用于对进程的控制，如创建和终止进程的系统调用、获得和设置进程属性的系统调用等。2文件操作类系统调用:对文件进行操纵的系统调用数量较多，有创建文件、打开文件、关闭文件、读文件、写文件；3 进程通信 4 设备管理 5 信息维护：获取当前时间和日期
激活是将进程从挂起就绪 状态调入内存，转为就绪状态 的过程。当挂起就绪队列中存在优先级高于内存中就绪队列的进程时，系统需将其激活以抢占资源，确保高优先级任务优先执行。
文件管理的任务是有效的支持文件的存储、检索和修改 等操作，解决文件的共享、保密和保护问题，以使用户方便、安全地访问文件，主要涉及3个方面:文件存储空间的管理、目录管理、文件系统的安全性。其中，管理磁盘空间和磁盘碎片整理 都属于文件存储空间的管理，目录管理的主要任务就是给出组织文件的方法，为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以便为用户提供方便的按名存取;安全性包括文件的读写权限以及存取控制。
一般的处理器由运算器、控制器、一系列寄存器及高速缓存组成。
一般的处理器由运算器、控制器、一系列寄存器以及高速缓存构成。运算器实现任何指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心，控制器负责控制程序运行的流程，包括取指令、维护CPU状态、CPU与内存的交互等，在处理器的控制权转移到中断处理程序之后，中断处理程序开始工作，其中包括检查IO相关的状态信息，操纵IO设备或者在设备和主存之间传送数据等。
处理器的程序状态字(PSW)通常包括CPU的工作状态代码、条件码和中断屏蔽码
线程的实现机制有三种途径:用户线程、内核线程、混合线程。
多级反馈队列、时间片轮转和高优先级优先适用于交互式操作系统。
在操作系统中，调度算法分类-批处理系统 :先来先服务，短作业优先，最高响应比优先(或高响应比优先);交互式系统 (分时系统):时间片轮转，多级反馈队列，优先级调度(但优先级调度也可用于实时系统)。实时系统:最早截止时间优先，最低松弛度优先等。
多道程序设计允许多个程序共享系统资源(如CPU、内存、IO设备)，这导致程序之间在资源访问上存在竞争和相互制约。在并发执行环境中，程序是静态的代码实体，而计算是动态的执行过程。多道程序设计使得多个程序交替执行，因此一个程序可能被中断，另一个程序运行，导致程序与计算不再严格一一对应。多道程序环境中，多个程序可能随时启动或输入数据，输入顺序和时机不是固定的，具有随机性，这反映了系统的动态特性。共享资源的状态由操作系统管理，理论上是可以确定的，但由于并发访问和资源分配的动态性，状态可能变化迅速，从程序视角难以预测，但并非完全无法确定。多道程序运行时，虽然程序之间可能没有直接通信，但通过资源共享和操作系统调度，它们会相互影响，因此不是完全"不知不觉"的关系。
实时系统设计目标主要是:在严格时间范围内，对外部请求作出反应，系统具有高度可靠性。