操作系统（二） ：操作系统运行机制（中断和异常、系统调用）

---

处理器运行模式

在计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序：另一种是用户自编程序（系统外层的应用程序，简称应用程序）。

对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”（内核程序）要执行一些特权指令，而“被管理程序”（用户自编程序）出于安全考虑不能执行这些特权指令。

特权指令和非特权指令的特点（2022）
1）特权指令，是指不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、关中断指令、内存清零指令，存取用于内存保护的寄存器、修改程序状态字寄存器等的指令。
2）非特权指令，是指允许用户直接使用的指令，它不能直接访问系统中的软硬件资源，仅限于访问用户的地址空间，这也是为了防止用户程序对系统造成破坏。

内核态执行的指令分析（2021）
用户态发生或执行的事件分析（2011、2012、2014）

在具体实现上，将CPU的运行模式划分为 用户态（目态） 和 内核态（也称管态、核心态）。可以理解为CPU内部有一个小并关，当小开关为O时，CPU处于内核态，此时CPU可以执行特权指令，切换到用户态的指令也是特权指令。当小开关为1时，CPU处于用户态，此时CPU只能执行非特权指令。应用程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在内核态。应用程序向操作系统请求服务时通过使用访管指令，访管指令是在用户态执行的，因此是非特权指令。

在软件工程思想和结构化程序设计方法影响下诞生的现代操作系统，几乎都是分层式的结构。操作系统的各项功能分别被设置在不同的层次上。一些与硬件关联较紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最低层。其次是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核。这部分内容的指令运行在内核态。内核是计算机上配置的底层软件，它管理着系统的各种资源，可视为连接应用程序和硬件的一座桥梁，大多数操作系统的 内核 包括4方面的内容。

时钟管理

时钟中断服务的内容（2018）

在计算机的各种部件中，时钟是关键设备。时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。例如，在分时操作系统中采用时间片轮转调度，在实时系统中按截止时间控制运行，在批处理系统中通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。因此，系统管理的方方面面无不依赖于时钟。

中断机制

中断机制在多道程序设计中的作用（2016）

引入中断技术的初衷是提高多道程序运行时的CPU利用率，使CPU可以在I/O操作期间执行其他指令。后来逐步得到发展，形成了多种类型，成为操作系统各项操作的基础。例如，键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等，无不依赖于中断机制。可以说，现代操作系统是靠中断驱动的软件。

中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制
权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。

原语

按层次结构设计的操作系统，底层必然是一些可被调用的公用小程序，它们各自完成一个规定的操作，通常将具有这些特点的程序称为原语（Atomic Operation)。它们的特点如下：

1）处于操作系统的底层，是最接近硬件的部分。
2）这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成（出于系统安全性和便于管理考虑）。
3）这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁。定义原语的直接方法是关中断，让其所有动作不可分割地完成后再打开中断。系统中的设备驱动、CPU切换、进程通信等功能中的部分操作都可定义为原语，使它们成为内核的组成部分。

系统控制的数据结构及处理

系统中用来登记状态信息的数据结构很多，如作业控制块、进程控制块（PCB）、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲区登记表、内存分配表等。为了实现有效的管理，系统需要一些基本的操作，常见的操作有以下3种：

1）进程管理。进程状态管理、进程调度和分派、创建与撤销进程控制块等。
2）存储器管理。存储器的空间分配和回收、内存信息保护程序、代码对换程序等。
3）设备管理。缓冲区管理、设备分配和回收等。可见，内核态指令实际上包括系统调用类指令和一些针对时钟、中断和原语的操作指令。

中断和异常的概念

用户态切换到内核态的事件分析（2013、2015）

在操作系统中引入内核态和用户态这两种工作状态后，就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在内核态，而用户程序工作在用户态。系统不允许用户程序实现内核态的功能，而它们又必须使用这些功能。 因此，需要在内核态建立一些“门”，以便实现从用户态进入内核态。

在实际操作系统中，CPU运行用户程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。发生中断或异常时，运行用户态的CPU会立即进入内核态，这是通过硬件实现的（例如，用一个特殊寄存器的一位来表示CPU所处的工作状态，0表示内核态，1表示用户态。若要进入内核态，则只需将该位置0即可）。

中断是操作系统中非常重要的一个概念，对一个运行在计算机上的实用操作系统而言，缺少了中断机制，将是不可想象的。原因是，操作系统的发展过程大体上就是一个想方设法不断提高资源利用率的过程，而提高资源利用率就需要在程序并未使用某种资源时，将它对那种资源的占有权释放，而这一行为就需要通过中断实现。

中断和异常的定义

可能引发中断或异常的指令分析（2013、2015）

中断（Interruption）也称外中断，是指来自CPU执行指令外部的事件，通常用于信息输入/输出，如设备发出的I/O结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成。时钟中断，表示一个固定的时间片已到，让处理机处理计时、启动定时运行的任务等。

异常（Exception）也称内中断，是指来自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、运算溢出、虚存系统的缺页及专门的陷入指令等引起的事件。异常不能被屏蔽，一旦出现，就应立即处理。

关于内中断和外中断的联系与区别如图所示。

中断和异常的分类

中断和异常的分类（2016）

外中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

可屏蔽中断 是指通过INTR线发出的中断请求，通过改变屏蔽字可以实现多重中断，从而使得中断处理更加灵活。
不可屏蔽中断 是指通过NMI线发出的中断请求，通常是紧急的硬件故障，如电源掉电等。此外，异常也是不能被屏蔽的。

异常可分为故障、自陷和终止。

• 故障（Fault） 通常是由指令执行引起的异常，如非法操作码、缺页故障、除数为0、运算溢出等。
• 自陷（Trap，也称陷入） 是一种事先安排的“异常”事件，用于在用户态下调用操作系统内核程序，如条件陷阱指令、系统调用指令等。
• 终止（Abort） 是指出现了使得CPU无法继续执行的硬件故障，如控制器出错、存储器校验错等。故障异常和自陷异常属于软件中断（程序性异常），终止异常和外部中断属于硬件中断。

中断和异常的处理过程

中断和异常的处理过程（2015、2020、2024）

中断和异常处理过程的大致描述如下：当CPU在执行用户程序的第i条指令时检测到一个异常事件，或在执行第i条指令后发现一个中断请求信号，则CPU打断当前的用户程序，然后转到相应的中断或异常处理程序去执行。若中断或异常处理程序能够解决相应的问题，则在中断或异常处理程序的最后，CPU通过执行中断或异常返回指令，回到被打断的用户程序的第i条指令或第i+1条指令继续执行；若中断或异常处理程序发现是不可恢复的致命错误，则终止用户程序。通常情况下，对中断和异常的具体处理过程由操作系统（和驱动程序）完成。

中断处理和子程序调用的比较（2012）

注意区分中断处理和子程序调用：
①中断处理程序与被中断的当前程序是相互独立的，它们之间没有确定的关系：子程序与主程序是同一程序的两部分，它们属于主从关系。
②通常中断的产生都是随机的：而子程序调用是通过调用指令（CALL）引起的，是由程序设计者事先安排的。
③调用子程序的过程完全属于软件处理过程；而中断处理的过程还需要有专门的硬件电路才能实现。
④中断处理程序的入口地址可由硬件向量法产生向量地址，再由向量地址找到入口地址：子程序的入口地址是由CALL指令中的地址码给出的。
⑤调用中断处理程序和子程序都需要保护程序计数器（PC）的内容，前者由中断隐指令完成，后者由CALL指令完成（执行CALL指令时，处理器先将当前的PC值压入栈，再将PC设置为被调用子程序的入口地址）。
⑥响应中断时，需对同时检测到的多个中断请求进行裁决，而调用子程序时没有这种操作。

系统调用

系统调用的定义及性质（2019、2021、2024）
系统调用的功能（2021）

系统调用 是操作系统提供给应用程序（程序员）使用的接口，可视为一种供应用程序调用的特殊的公共子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O传输及文件管理等），都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成，并将处理结果返回给应用程序。这样，就可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十条乃至上百条之多，每个系统调用都有唯一的系统调用号。这些系统调用按功能大致可分为如下几类。

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小和起始地址等功能。

显然，系统调用相关功能涉及系统资源管理、进程管理之类的操作，对整个系统的影响非常大，因此系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在内核态。

系统调用的处理过程及CPU状态的变化（2012、2017、2023）
系统调用处理过程中操作系统负责的任务（2022）

下面分析系统调用的处理过程：

第一步，用户程序首先将系统调用号和所需的参数压入堆栈；接着，调用实际的调用指令，然后执行一个陷入指令，将CPU状态从用户态转为内核态，再后由硬件和操作系统内核程序保护被中断进程的现场，将程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）及通用寄存器内容等压入堆栈。

第二步，分析系统调用类型，转入相应的系统调用处理子程序。在系统中配置了一张系统调用入口表，表中的每个表项都对应一个系统调用，根据系统调用号可以找到该系统调用处理子程序的入口地址。

第三步，在系统调用处理子程序执行结束后，恢复被中断的或设置新进程的CPU现场，然后返回被中断进程或新进程，继续往下执行。

可以这么理解，用户程序执行“陷入指令”，相当于将CPU的使用权主动交给操作系统内核程序（CPU状态会从用户态进入内核态），之后操作系统内核程序再对系统调用请求做出相应处理。处理完成后，操作系统内核程序又会将CPU的使用权还给用户程序（CPU状态会从内核态回到用户态）。这么设计的目的是：用户程序不能直接执行对系统影响非常大的操作，必须通过系统调用的方式请求操作系统代为执行，以便保证系统的稳定性和安全性。

这样，操作系统的运行环境可以理解为：用户通过操作系统运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程序），而这个上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统通过硬件中断机制进入内核态，运行管理程序；也可能是程序运行出现异常情况，被动地需要管理程序的服务，此时则通过异常处理进入内核态。管理程序运行结束时，退出中断或异常处理程序，返回到用户程序的断点处继续执行。系统调用的执行过
程如图所示。

在操作系统这一层面上，我们关心的是系统内核态和用户态的软件实现与切换，对于硬件层面的具体理解，可以结合“计算机组成原理”课程中有关中断的内容进行学习。
下面列举一些由用户态转向内核态的例子：
1）用户程序要求操作系统的服务，即系统调用。
2）发生一次中断。
3）用户程序中产生一个错误状态。
4）用户程序中企图执行一条特权。
从内核态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权命令，一般是中断返回指令。