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1、操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài)操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài)幾乎是考研試題中必考的題目,一般是一道選擇題,但是在教材中對(duì)著一部分講解的不是很全面。在復(fù)習(xí)中(包括我在內(nèi)),往往面臨兩難的問(wèn)題,一方面教材上的內(nèi)容較少,另一方面網(wǎng)上的東西又太多,看的時(shí)候又不知所措。所在在這里給大家把這一塊的知識(shí)點(diǎn)總結(jié)一下,希望能給大家?guī)?lái)一些啟迪,同時(shí)也歡迎大家一起討論。1、 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu):操作系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了無(wú)結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)(第一代),模塊化的操作系統(tǒng)(第二代),分層式結(jié)構(gòu)(第三代),這些稱(chēng)為傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而微內(nèi)核操作系統(tǒng)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu),他是在C/S(客戶(hù)端/服務(wù)器)這種架構(gòu)方式上發(fā)展起來(lái)的。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的內(nèi)容,大家只
2、需要了解就可以了。重點(diǎn)在微內(nèi)核操作系統(tǒng)。2、 微內(nèi)核操作系統(tǒng) 微內(nèi)核操作系統(tǒng)往往采用的是C/S模式,它把操作系統(tǒng)分為微內(nèi)核和多個(gè)服務(wù)器。微內(nèi)核主要用于(1)實(shí)現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的處理,(2)實(shí)現(xiàn)一些較基本的功能,(3)負(fù)責(zé)客戶(hù)和服務(wù)器之間的通信。內(nèi)核的功能:(1)進(jìn)程(線(xiàn)程)管理 (進(jìn)程或者線(xiàn)程的調(diào)度)(2)低級(jí)存儲(chǔ)器管理 (用戶(hù)程序邏輯空間到內(nèi)存空間的物理地址的變換)(3)中斷和陷入管理 (中斷和陷入)由于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的存在,那么程序就運(yùn)行在兩種不同的地方,內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài),內(nèi)核態(tài)與用戶(hù)態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運(yùn)行級(jí)別,跟intel cpu沒(méi)有必然的聯(lián)系。3、 內(nèi)核態(tài)和用戶(hù)態(tài)內(nèi)核態(tài):當(dāng)一個(gè)任務(wù)(進(jìn)程)執(zhí)
3、行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí),我們就稱(chēng)進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)(或簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)核態(tài))。其他的屬于用戶(hù)態(tài)。用戶(hù)程序運(yùn)行在用戶(hù)態(tài),操作系統(tǒng)運(yùn)行在內(nèi)核態(tài).(操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行在內(nèi)核態(tài),而服務(wù)器運(yùn)行在用戶(hù)態(tài))。用戶(hù)態(tài)不能干擾內(nèi)核態(tài).所以CPU指令就有兩種,特權(quán)指令和非特權(quán)指令.不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的指令。特權(quán)指令:只能由操作系統(tǒng)內(nèi)核部分使用,不允許用戶(hù)直接使用的指令。如,I/O指令、置終端屏蔽指令、清內(nèi)存、建存儲(chǔ)保護(hù)、設(shè)置時(shí)鐘指令(這幾種記好,屬于內(nèi)核態(tài))。非特權(quán)指令:所有程序均可直接使用。所以:系統(tǒng)態(tài)(核心態(tài)、特態(tài)、管態(tài)):執(zhí)行全部指令。 用戶(hù)態(tài)(常態(tài)、目態(tài)):執(zhí)行非特權(quán)指令。2. 用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換1)用
4、戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式a. 系統(tǒng)調(diào)用這是用戶(hù)態(tài)進(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式,用戶(hù)態(tài)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作,比如前例中fork()實(shí)際上就是執(zhí)行了一個(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶(hù)特別開(kāi)放的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn),例如Linux的int 80h中斷。b. 異常當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶(hù)態(tài)下的程序時(shí),發(fā)生了某些事先不可知的異常,這時(shí)會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中,也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài),比如缺頁(yè)異常。c. 外圍設(shè)備的中斷當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶(hù)請(qǐng)求的操作后,會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào),這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將要
5、執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序,如果先前執(zhí)行的指令是用戶(hù)態(tài)下的程序,那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然也就發(fā)生了由用戶(hù)態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤(pán)讀寫(xiě)操作完成,系統(tǒng)會(huì)切換到硬盤(pán)讀寫(xiě)的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。4、 常見(jiàn)的內(nèi)核態(tài)常見(jiàn)總結(jié):前文已經(jīng)提到,內(nèi)核的功能:(1)進(jìn)程(線(xiàn)程)管理 (進(jìn)程或者線(xiàn)程的調(diào)度)(2)低級(jí)存儲(chǔ)器管理 (用戶(hù)程序邏輯空間到內(nèi)存空間的物理地址的變換)(3)中斷和陷入管理 (中斷和陷入)具體的:(1) I/O指令、置終端屏蔽指令、清內(nèi)存、建存儲(chǔ)保護(hù)、設(shè)置時(shí)鐘指令。(2) 中斷、異常、陷入,比如缺頁(yè)中斷等(3)進(jìn)程(線(xiàn)程)管理(4)系統(tǒng)調(diào)用,比如調(diào)用了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(5)
6、用戶(hù)內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換(邏輯- 物理映射)以前考過(guò)的真題:1、用戶(hù)在程序中試圖讀某文件的第100個(gè)邏輯塊,使用操作系統(tǒng)提供的()接口 A: 系統(tǒng)調(diào)用 B:圖形用戶(hù)接口 C:原語(yǔ) D:鍵盤(pán)命令解析:程序需要讀取第100個(gè)邏輯塊,這里發(fā)生了邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換,必然要進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行轉(zhuǎn)換,所以必然要進(jìn)入到內(nèi)核態(tài),在四個(gè)選型中,只有A系統(tǒng)調(diào)用才能進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)。所以A入選。圖形用戶(hù)接口是用戶(hù)接口,他是獲得操作系統(tǒng)提供的服務(wù)一種方式,但是要想獲得操作系統(tǒng)的服務(wù),在底層仍然是使用的系統(tǒng)調(diào)用。2、 在中斷發(fā)生后,進(jìn)入中斷處理的程序?qū)儆冢海ǎ〢:用戶(hù)程序 B:可能是應(yīng)用程序,也可能是操作系統(tǒng)程序C:操作系統(tǒng)程序 D:既不是是應(yīng)用程序,也不是操作系統(tǒng)程序解析:中斷的處理是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)處理
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