王道操作系统考研笔记——1.1.4 操作系统的运行机制和体系结构

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1.1.4 操作系统的运行机制和体系结构

知识总览

预备知识：什么是指令

指令和我们平时所的代码有什么区别呢？

如果拿C语言来说，当我们写好了C语言代码的时候，编译器会对代码进行编译，编译完会生成机器语言指令，且在这个过程中，一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条指令。

所以简单来说，指令就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本的命令，例如加法指令就是让处理器执行加法运算。

1.1.4.1 两种指令、两种处理器状态、两种程序

经过上面的介绍后，我们知道了指令是干什么的，但是我们也能发现一些问题：有些指令能让处理器干些比较简单的事，比如加减乘除，这种事情通常无关紧要人畜无害；但是有些指令能让处理器“自毁”呢？系统所有东西都删掉呢？比如内存清零指令，如果用户程序可以使用这个指令，就意味着一个用户可以将其他用户的内存数据随意清零，这样做显然是很危险的。

所以综上所述，我们把指令分为两类：特权指令和非特权指令。前面说的加减乘除这类普通的运算指令即为非特权指令，而内存清零指令就是特权指令；特权指令一般不允许普通用户使用。

那么处理器怎么判别当前是否可以执行特权指令呢？

这就要说到两种处理器状态了：用户态（目态）和核心态（管态）。如果此时处理器处于目态，那么CPU只能执行非特权指令，而如果处理器处于管态，那么两种指令它都能执行。

根据能执行指令的程度，我们把程序也划分为两类：内核程序和应用程序。操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态，而应用程序为了保证系统能安全运行，它们运行在用户态。

做一个小结，如图所示：

说完这么多，操作系统中的哪些功能应该由内核程序实现呢？

1.1.4.2 操作系统的内核

我们平常说的内核，实际上指的是计算机的底层软件。结合生活经验来看，我们安装完Windows操作系统后，会发现操作系统提供了多种多样的功能，比如“记事本”、“任务管理器”。然而，操作系统少了这些功能并不会掉一块肉的，顶多是不方便而已。所以结合这些，我们可以回到前面讲的结构图。

在操作系统的结构层次中，实际上包含了内核和非内核，内核中包含了计算机必备的一些组件，比如时钟管理，中断处理，访问原语等，这些都是计算机必不可少的。像进程管理、存储器管理、设备管理等这些和计算机资源管理相关的也是属于内核的一部分。

所以操作系统的内核，指的是：计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

由于我们前面也说过，任务管理器不是必须的，这也侧面说明了管理并不是必须的，因系统而异；所以对于不一样的系统，有的系统认为资源管理这一部分属于内核功能，而有的则不这么认为。所以，我们通常把那些包含了资源管理这一部分的内核叫做大内核，而不包含资源管理这一部分的内核叫做微内核。

1.1.4.3 操作系统的体系结构

大内核和微内核共同组成了操作系统的体系结构。整理一下上面说的，我们可以总结如下：

举个例子：我们可以把操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。我们可以把内核比作企业的管理层，负责企业内部一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接。

而大内核就好比企业创立之初，大事小事管理层的人都会经手，虽然做事效率快，管理层不需要和其他人交接工作，直接就可以行使重要权限干重要的事，但是由于分工不明确，人数过少，所以组织结构混乱，难以维护。难以维护可以体现在管理层两个大老板。两个大老板都有采购功能，但是两个人同时采购，一旦出了采购问题就不知道把问题归在谁身上了。

而微内核就好比成熟的企业，管理层只负责一些最核心的工作，组织结构清晰，方便维护，但是这样的话普通员工一有重要的事就要汇报上级审批，效率低下。

1.1.4.4 小结

• 大内核和微内核的优缺点可能作为选择题考查
• 核心态比较重要

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