# 1.3 操作系统的运行环境

## 一、处理器运行模式

### 1.1 两种运行模式

现代CPU通常提供两种运行模式：

#### 核心态（Kernel Mode，管态、内核态）

- 运行操作系统程序
- 可以执行所有指令，包括特权指令
- 可以访问所有内存空间和硬件资源
- 可以修改程序状态字（PSW）

#### 用户态（User Mode，目态）

- 运行用户程序
- 只能执行非特权指令
- 只能访问用户空间内存
- 不能直接访问硬件资源

### 1.2 特权指令与非特权指令

#### 特权指令

只允许在核心态执行的指令：
- I/O指令
- 设置中断屏蔽指令
- 清内存指令
- 设置时钟指令
- 修改程序状态字指令
- 停机指令

#### 非特权指令

在用户态和核心态都可以执行的指令：
- 算术运算指令
- 逻辑运算指令
- 数据传输指令
- 访管指令（系统调用指令）

### 1.3 状态转换

#### 用户态 → 核心态

触发条件：
1. **系统调用（访管指令）**：用户程序请求操作系统服务
2. **中断**：外部设备完成I/O操作
3. **异常**：程序执行过程中出现错误或特殊情况
   - 地址越界
   - 算术溢出
   - 缺页
   - 除数为0

#### 核心态 → 用户态

通过执行**特权指令**修改程序状态字（PSW），将状态位设置为用户态。

通常发生在：
- 操作系统完成服务后返回用户程序
- 进程切换后执行用户程序

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## 二、中断与异常

### 2.1 基本概念

#### 中断（Interrupt，外中断）

来自CPU执行指令**外部**的事件，与当前指令无关。

**来源**：
- I/O设备完成操作
- 时钟中断
- 外部信号

**特点**：
- 异步发生
- 与当前指令无关
- 可屏蔽（部分中断）

#### 异常（Exception，内中断、陷入、Trap）

来自CPU执行指令**内部**的事件，与当前指令有关。

**来源**：
- 地址越界
- 页故障（缺页）
- 算术溢出
- 除数为0
- 非法指令
- 系统调用（自愿陷入）

**特点**：
- 同步发生
- 与当前指令有关
- 不可屏蔽

### 2.2 中断处理过程

1. **关中断**：保护现场期间不允许中断
2. **保存断点**：将程序计数器（PC）内容保存到堆栈或特定寄存器
3. **引出中断服务程序**：根据中断源找到对应的中断服务程序入口
4. **保存现场和屏蔽字**：保存通用寄存器、状态寄存器等
5. **开中断**：允许更高级中断响应
6. **执行中断服务程序**：处理中断
7. **关中断**：恢复现场期间不允许中断
8. **恢复现场和屏蔽字**：恢复寄存器内容
9. **开中断、中断返回**：返回被中断的程序继续执行

### 2.3 中断向量表

**中断向量**：中断服务程序的入口地址

**中断向量表**：存储所有中断向量的表格

**作用**：根据中断类型号快速找到对应的中断服务程序

### 2.4 多重中断

**定义**：CPU正在处理某个中断时，又发生了新的中断请求。

**处理方式**：
- **中断屏蔽**：通过设置中断屏蔽字，禁止某些中断的响应
- **中断优先级**：高优先级中断可以打断低优先级中断的处理

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## 三、系统调用

### 3.1 系统调用的概念

**系统调用**是操作系统提供给用户程序请求操作系统服务的接口，是用户程序与操作系统之间的桥梁。

**作用**：
- 用户程序通过系统调用请求OS服务
- OS通过系统调用接口为用户程序提供服务
- 保护系统资源，防止用户程序直接操作硬件

### 3.2 系统调用与库函数的区别

| 特性 | 系统调用 | 库函数 |
|-----|---------|--------|
| 实现 | 操作系统内核 | 编程语言或库提供 |
| 执行 | 需要切换到核心态 | 在用户态执行 |
| 开销 | 大（需要状态切换） | 小 |
| 功能 | 底层服务 | 可能封装系统调用或纯计算 |
| 可移植性 | 依赖具体OS | 较好 |

### 3.3 系统调用的类型

#### 进程控制
- 创建进程（fork）
- 终止进程（exit）
- 等待子进程（wait）
- 执行程序（exec）

#### 文件管理
- 创建文件（create）
- 打开文件（open）
- 读文件（read）
- 写文件（write）
- 关闭文件（close）

#### 设备管理
- 请求设备（request）
- 释放设备（release）
- 读设备（read）
- 写设备（write）

#### 信息维护
- 获取时间（get time）
- 设置时间（set time）
- 获取进程属性（get process attributes）

#### 通信
- 创建管道（pipe）
- 发送消息（send）
- 接收消息（receive）

### 3.4 系统调用的执行过程

1. **传递参数**：将系统调用号和参数传递给OS
2. **执行访管指令（Trap）**：从用户态切换到核心态
3. **确定系统调用类型**：根据系统调用号查找系统调用表
4. **执行系统调用服务程序**：在核心态执行相应服务
5. **返回用户态**：将结果返回给用户程序

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## 四、存储器的层次结构

### 4.1 层次结构

```
寄存器
    ↓（速度递减，容量递增，成本递减）
高速缓存（Cache）
    ↓
主存储器（内存）
    ↓
磁盘存储器
    ↓
磁带、光盘
```

### 4.2 程序的装入与链接

#### 地址空间

- **逻辑地址（虚拟地址）**：程序中使用的地址
- **物理地址**：内存中实际的地址

#### 装入方式

1. **绝对装入**：编译时产生绝对地址，直接装入内存
2. **可重定位装入**：装入时进行地址重定位
3. **动态运行时装入**：执行时进行地址转换（需要MMU支持）

#### 链接方式

1. **静态链接**：程序运行前链接成完整装入模块
2. **装入时动态链接**：装入内存时链接
3. **运行时动态链接**：执行时按需链接

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## 五、考研重点

1. **两种运行模式**：核心态与用户态的区别、状态转换
2. **特权指令与非特权指令**
3. **中断与异常**：概念、区别、处理过程
4. **系统调用**：概念、类型、执行过程
5. **中断向量表**
6. **多重中断与中断屏蔽**
7. **存储器层次结构**

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*下一节：1.4 操作系统体系结构*