操作系统原理 —— 操作系统运行机制与体系结构（三）

什么是操作系统的指令？

指令就是处理器(CPU)能识别、执行的最基本命令。

比如我们平时写的 Java 代码、C 语言代码，CPU 它能直接识别并且运行吗？ 当然是不行的。

Java、C 语言这些都属于高级语言，它们还需要经过一系列的编译最后才能成为 CPU 能够识别的指令。

操作系统指令如何保障系统安全？

既然指令能够被 CPU 识别，执行，那如何保障系统的安全呢？

在操作系统中，把指令进行了区分，特权指令、非特权指令这两个部分，特权指令是不允许被用户程序所使用。

CPU 如何判断当前是否可以执行特权指令呢？

既然指令区分了特权指令和非特权指令，那么在 CPU 执行的时候，它就要判断这个指令该不该执行，所以操作系统又定义了 CPU 的两种状态：用户态 和 核心态，在 CPU 是用户态的时候，就只能执行非特权指令，如果是核心状态，那么既可以执行特权指令，又可以执行非特权指令。

在 CPU 是如何来判断当前是用户态、还是核心态呢？ 主要是利用了标志位来表示处理器处于什么状态，比如 0 是用户态、1 是核心态。

操作系统程序分类

经过上面内容的讲解，既然指令被区分成特权指令、非特权指令，那么有些程序是需要使用特权指令，有些程序是不需要使用特权指令，所以在程序上又区分成：内核程序、应用程序。

内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者，它既可以执行特权指令、也可以执行非特权指令，由于它需要执行特权指令，所以它必须要运行在核心态。

应用程序：为了保证系统的安全，普通的应用程序它只能执行非特权指令，所以它只需要运行在用户态即可。

操作系统中哪些功能应该由内核程序来实现呢？

这里应用程序就不多说了，应用程序就是我们普通的程序员所研发的日常使用软件，被用户来使用。 那么我们一起来看看内核程序有哪些功能。

通过上图我们可以得知，在内核程序中包括了这么些功能：

• 时钟管理：实现计时的功能。

• 中断处理：负责实现中断机制。

• 原语：原语是一种特殊的程序，处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分，并且这种程序员具有原子性。

除了上面这三种以外，还有一些对资源管理的功能，比如：进程管理、存储器管理、设备管理等等。

操作系统的体系结构

对于操作系统中的内核程序，上文也有提到进程管理、存储器管理、设备管理也是属于内核程序，但是有些操作系统不会把这三个归为内核程序，也就是说，不同的操作系统，对内核功能的划分可能并不一样。

所以操作系统的体系结构又可以划分为：大内核和微内核。

大内核：将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态，优点是性能比较高，但是缺点就是内核代码庞大、结构混乱、难以维护。

微内核：只把最基础的功能保留在内核，优点就是内核功能少，方便维护，缺点就是性能比较低，因为功能少所以需要频繁的在核心态与用户态之间进行切换。

本章总结

这里说几个重点：

1、特权指令只能在核心态下执行

2、内核程序只能在核心态下执行

3、用户态、核心态之间的切换，也比较重要，这个后续再讲解。