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操作系统的概述之三

news 来源：原创 2025/6/29 12:50:47

1 下列选项中，在用户态执行的是 ( )。

A. 命令解释程序

B. 缺页处理程序

C. 进程调度程序

D. 时钟中断处理程序

解析：

操作系统中的程序执行状态通常分为用户态（User Mode）和核心态（Kernel Mode）。核心态拥有访问所有硬件和内存的最高权限，主要运行操作系统内核代码。用户态权限受限，主要运行应用程序。

A. 命令解释程序： 如 Shell 或 cmd.exe，它是一个应用程序，负责接收和解释用户输入的命令。它本身运行在用户态。当它需要执行需要特权的操作时（如创建进程），会通过系统调用陷入核心态。
B. 缺页处理程序： 当用户程序访问的页面不在内存时，会产生一个缺页异常（中断）。CPU会立即从用户态切换到核心态，转而去执行操作系统的缺页处理程序，以从磁盘调入相应页面。因此，缺页处理程序在核心态执行。
C. 进程调度程序： 这是操作系统内核的核心组件，负责决定哪个进程将获得CPU的使用权。它需要修改进程控制块等内核数据结构，必须在核心态执行。
D. 时钟中断处理程序： 时钟中断是硬件中断，用于计时和触发进程调度等。中断发生后，CPU会立即切换到核心态来执行对应的中断处理程序。因此，时钟中断处理程序在核心态执行。

综上所述，只有命令解释程序是运行在用户态的。

2 下列选项中，不可能在用户态发生的事件是 ( )。

A. 系统调用

B. 外部中断

C. 进程切换

D. 缺页

解析：

本题询问哪个事件本身不是在用户态发生的。我们需要区分事件的“触发”和“处理”。事件的触发可能在用户态，但其处理程序通常在核心态执行。

A. 系统调用： 用户程序在用户态下执行时，通过一条特殊的指令（如 trap 或 syscall）主动请求操作系统服务，从而引发从用户态到核心态的转换。事件的“起因”发生在用户态。
B. 外部中断： 也称硬件中断，例如 I/O 操作完成或时钟中断。当用户程序在用户态下执行时，这些来自外部设备的中断信号可以随时发生，中断当前的用户态执行，并强制CPU转入核心态去处理中断。因此，中断事件可以发生在用户程序执行期间（即用户态下）。
C. 进程切换： 进程切换是操作系统内核的一项功能，它负责保存当前进程的上下文，并加载另一个进程的上下文。这个过程完全由操作系统在核心态完成，它是由调度程序执行的。用户程序不能在用户态下执行进程切换操作。虽然触发进程切换的事件（如时钟中断或系统调用）可能在用户态时发生，但“进程切换”这个行为本身是在核心态中进行的。
D. 缺页： 当用户程序在用户态下执行一条指令，试图访问一个不在物理内存中的页面时，会立即触发一个缺页异常。这个异常发生在用户态，并导致CPU切换到核心态去执行缺页处理程序。

因此，“进程切换”这个操作本身是在核心态完成的，不可能在用户态发生。

好的，我们按照新的格式重新组织一下。

3.【2012 统考真题】中断处理和子程序调用都需要压栈，以便保护现场。中断处理一定会保存而子程序调用不需要保存其内容的是（）。

A. 程序计数器

B. 程序状态字寄存器

C. 通用数据寄存器

D. 通用地址寄存器

解析：

本题旨在区分中断和子程序调用在保存现场时的关键不同点。

子程序调用（Function/Subroutine Call）： 通常在同一进程和同一特权级别（用户态）内发生。其主要目的是返回到调用指令的下一条指令继续执行。因此，程序计数器（PC） 的值（即返回地址）必须被保存。其他通用寄存器的保存则根据编译器和调用约定（caller-saved vs. callee-saved）来决定，不是必须全部保存。关键在于，子程序调用不涉及特权等级的改变，因此通常不需要保存和改变程序状态字（PSW） 中与特权状态相关的部分。
中断处理（Interrupt Handling）： 中断是来自硬件或异常事件的异步请求，它会打断当前进程的执行。中断发生后，CPU会从用户态强制切换到内核态。为了在中断处理完毕后能够精确地恢复到被中断前的状态，操作系统必须保存完整的现场。这不仅包括程序计数器（PC），还必须包括程序状态字寄存器（PSW）。PSW中包含了CPU当前的工作模式（用户态/内核态）、条件码（如零标志、溢出标志）等关键状态信息。中断处理一定会改变CPU的工作模式，因此必须保存旧的PSW并在进入中断服务程序时设置新的PSW，在返回时再恢复原有的PSW。

结论： 程序状态字寄存器（PSW）是中断处理时必须保存，而子程序调用时通常不需要保存的核心部件。故选B。

4.【2013 统考真题】下列选项中，会导致用户进程从用户态切换到内核态的操作是（）。

I. 整数除以零

II. sin()函数调用

III. read 系统调用

A. 仅 I、II

B. 仅 I、III

C. 仅 II、III

D. I、II 和 III

解析：

本题考查从用户态转换到内核态的途径。这种转换通常由三类事件引起：系统调用、异常和外部中断。

I. 整数除以零： 这是一个在程序执行期间由CPU检测到的错误，属于异常（Exception） 或陷入（Trap）。当CPU试图执行此非法操作时，它会中止当前指令，并将控制权转移给操作系统内核中的特定异常处理程序。这个过程伴随着从用户态到内核态的切换。因此，I 会导致模式切换。
II. sin()函数调用： sin() 是一个标准的数学库函数。调用库函数是在用户空间内完成的，它只是一个普通的函数调用，控制流从一个用户态地址跳转到另一个用户态地址（库函数的代码区）。这个过程不涉及操作系统内核的介入，也不会发生特权级别的改变。因此，II 不会导致模式切换。
III. read 系统调用： read 是一个典型的系统调用（System Call）。用户程序通过它请求操作系统提供I/O服务（如读取文件）。由于I/O设备是受内核管理的特权资源，用户程序不能直接访问。因此，执行read系统调用会通过一个特殊的陷入指令（如 syscall）使CPU从用户态切换到内核态，由内核代为完成读操作。因此，III 会导致模式切换。

结论： 整数除以零（异常）和read系统调用会导致进程从用户态切换到内核态。故选B。

5.下列指令中，不能在用户态执行的是（）。 A. trap指令 B. 跳转指令 C. 压栈指令 D. 关中断指令

关中断指令是特权指令，只能在内核态（管态）执行，不能在用户态执行。

trap指令：用于产生软中断，用户程序可以执行来请求系统服务
跳转指令：普通的程序控制指令，用户态可以执行
压栈指令：普通的数据操作指令，用户态可以执行
关中断指令：特权指令，涉及系统安全和稳定性，只能在内核态执行

用户态程序如果能随意关闭中断，会严重影响系统的正常运行

6.处理外部中断时，应该由操作系统保存的是（）。 A. 程序计数器（PC）的内容 B. 通用寄存器的内容 C. 快表（TLB）中的内容 D. Cache中的内容

处理外部中断时，需要保存被中断程序的现场信息

A. 程序计数器（PC）的内容：PC保存下一条要执行指令的地址，中断发生时硬件会自动将PC压入堆栈或保存到特定寄存器中，这是硬件自动完成的，不是操作系统主动保存的。
B. 通用寄存器的内容：这些是被中断程序正在使用的寄存器，包含程序的运算数据和中间结果。操作系统的中断处理程序需要主动保存这些寄存器内容，以便中断处理完成后能够恢复被中断程序的执行状态。
C. 快表（TLB）中的内容：TLB是硬件管理的，不需要操作系统显式保存。
D. Cache中的内容：Cache也是硬件管理的，操作系统不需要主动保存。

修正答案：B. 通用寄存器的内容

PC的保存通常是硬件自动完成的（通过中断向量机制），而通用寄存器的内容需要操作系统的中断处理程序主动保存到PCB或堆栈中，这样才能在中断处理完成后正确恢复被中断程序的状态

7. 【2015 统考真题】假定下列指令已装入指令寄存器，则执行时不可能导致 CPU 从用户态变为内核态（系统态）的是（）。

A. DIV R0, R1 ; (R0)/(R1)→R0
B. INT n ; 产生软中断
C. NOT R0 ; 寄存器 R0 的内容取非
D. MOV R0, addr ; 把地址 addr 处的内存数据放入寄存器 R0

答案：C

解析：
- NOT R0指令是简单的逻辑非操作，不会产生任何异常或中断，因此不会导致CPU从用户态切换到内核态。
- 其他选项：DIV可能触发除零异常，INT是显式软中断指令，MOV访存可能触发缺页异常，这些都会导致态切换。

8. 【2016 统考真题】异常是指令执行过程中在处理器内部发生的特殊事件，中断是来自处理器外部的请求事件。下列关于中断或异常情况的叙述中，错误的是（）。

A. "访存时缺页"属于中断
B. "整数除以 0"属于异常
C. "DMA 传送结束"属于中断
D. "存储保护错"属于异常

答案：A

解析：
- "访存时缺页"是由CPU内部指令执行引发的异常事件，属于异常而非中断，因此A选项错误。
- 其他选项分类正确："整数除以0"是运算异常，"DMA传送结束"是外部设备中断，"存储保护错"是内存访问异常。