操作系统的运行机制+中断和异常

一、CPU状态 

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

CPU有两种状态，“内核态”和“用户态”

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。

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

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” 

①刚开机时，CPU为“内核态”，操作系统内核程序先上CPU运行（操作系统内核在让出 CPU之前，会用一条特又指令把PSW的标志位设置为“用户态）

②开机完成后，用户可以启动某个应用程序

③操作系统内核程序在合适的时候主动让出CPU,让该应用程序上CPU运行

④应用程序运行在“用户态”

⑤此时，一位猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统

⑥CPU发现接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于“用户态”

⑦这个非法事件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

内核态→用户态：执行一条特权指令一一修改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

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

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

二、中断和异常 

CPU上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序，一种是应用程序

 “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径

如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序

2.1 中断类型 

1. 陷阱（Trap）： 在计算机体系结构中，陷阱是一种由程序或软件请求操作系统提供服务或执行系统调用的方式。当程序执行到一个陷阱指令时，控制权被转移到操作系统的相应处理程序。陷阱可以用于实现系统调用、异常处理、和软中断等。

2. 陷入（Fault）： 在操作系统的上下文中，"陷入"通常指的是硬件或软件产生了一种异常情况。例如，页面错误（Page Fault）是一种常见的陷入，当程序尝试访问未装载到内存中的页面时就会发生。

3. 终止（Abort）： 终止是指程序或进程的异常结束。这可能是由于程序错误、操作系统错误或其他问题引起的。在某些情况下，程序员可以选择在检测到错误时终止程序。

4. 时钟中断（Clock Interrupt）： 时钟中断是由系统时钟硬件定期触发的中断。它用于操作系统的调度，以便在多任务环境中切换执行的进程。时钟中断通常以固定的时间间隔发生，允许操作系统周期性地重新安排系统中运行的进程。

5. I/O中断（I/O Interrupt）： I/O中断是由输入/输出设备发出的中断请求，通知系统有数据可用或某种事件发生。操作系统通过处理这些中断来与外部设备进行通信和协调。

 中断机制的原理

不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。