操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

1、操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)和用戶態(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，看的時候又不知所措。所在在這里給大家把這一塊的知識點總結(jié)一下，希望能給大家?guī)硪恍﹩⒌?，同時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（客戶端/服務(wù)器）這種架構(gòu)方式上發(fā)展起來的。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)核和多個服務(wù)器。微內(nèi)核主要用于（1）實現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的處理，（2）實現(xiàn)一些較基本的功能，（3）負(fù)責(zé)客戶和服務(wù)器之間的通信。內(nèi)核的功能：（1）進(jìn)程（線程）管理 （進(jìn)程或者線程的調(diào)度）（2）低級存儲器管理 （用戶程序邏輯空間到內(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)和用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運(yùn)行級別,跟intel cpu沒有必然的聯(lián)系。3、 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)：當(dāng)一個任務(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，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（或簡稱為內(nèi)核態(tài)）。其他的屬于用戶態(tài)。用戶程序運(yùn)行在用戶態(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)行在用戶態(tài)）。用戶態(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、建存儲保護(hù)、設(shè)置時鐘指令（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。 用戶態(tài)（常態(tài)、目態(tài)）：執(zhí)行非特權(quán)指令。2. 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換1）用

4、戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式a. 系統(tǒng)調(diào)用這是用戶態(tài)進(jìn)程主動要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作，比如前例中fork()實際上就是執(zhí)行了一個創(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)為用戶特別開放的一個中斷來實現(xiàn)，例如Linux的int 80h中斷。b. 異常當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時會觸發(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)，比如缺頁異常。c. 外圍設(shè)備的中斷當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請求的操作后，會向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要

5、執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號對應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤讀寫操作完成，系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。4、 常見的內(nèi)核態(tài)常見總結(jié)：前文已經(jīng)提到，內(nèi)核的功能：（1）進(jìn)程（線程）管理 （進(jìn)程或者線程的調(diào)度）（2）低級存儲器管理 （用戶程序邏輯空間到內(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、建存儲保護(hù)、設(shè)置時鐘指令。（2） 中斷、異常、陷入，比如缺頁中斷等（3）進(jìn)程（線程）管理（4）系統(tǒng)調(diào)用，比如調(diào)用了設(shè)備驅(qū)動程序（5）

6、用戶內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換（邏輯- 物理映射）以前考過的真題：1、用戶在程序中試圖讀某文件的第100個邏輯塊，使用操作系統(tǒng)提供的（）接口 A： 系統(tǒng)調(diào)用 B：圖形用戶接口 C：原語 D：鍵盤命令解析：程序需要讀取第100個邏輯塊，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。圖形用戶接口是用戶接口，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)核來處理