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操作系统 | 用户态和内核态的切换（中断、系统调用与过程（库函数）调用）

2023-05-16

文章目录

  • 中断
  • 过程调用
  • 系统调用
  • 过程调用和系统调用的区别

中断

用户态、内核态之间的切换是怎么实现的?

  • 用户态→内核态 是通过中断实现的。并且 中断是唯一途径 。
  • 核心态→用户态 的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字 (PSW) 的标志位设置为 用户态 。

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中断的处理过程：

  1. 执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
  2. 如果检测到外部中断信号，则需要保护 被中断进程的CPU环境（如程序状态字 PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器)。
  3. 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序(进入内核态)。
  4. 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

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过程调用

过程调用也就是 微机原理里的 CALL 、编程时调用的 库函数 。由于库函数调用是基于C库的，因此也就不可能用于内核空间的驱动程序对设备的操作。

系统调用

系统调用其实是一个过程调用，但在过程调用内部隐藏着 陷阱（trap）指令 。过程调用中封装了系统调用是一种高内聚的设计方式，目的是让系统调用对研发人员透明。

系统调用本质上是 操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口（API） 。用户程序可以通过这组 API 来获得操作系统内核提供的服务。

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系统调用的过程：

以 open() 函数调用为例，当你调用 open()时，你正在执行对 C库 的过程调用。其中，无论是对于 open() 还是提供的其他系统调用，库都使用与内核一致的 调用约定 来将 参数 放在众所周知的位置（例如，在栈中或特定的寄存器中），将 系统调用号 也放入一个众所周知的位置（同样，放在栈或寄存器中），然后执行 陷阱（trap）指令 。库中陷阱之后的代码准备好返回值，并将 内核空间控制权 返回给发出系统调用的程序，并将特权级别提升到 内核模式 。完成作业后，操作系统调用一个特殊的从 陷阱返回（return-from-trap）指令，同时将特权级别降低，回到 用户模式 。因此， C库 中进行系统调用的部分是用汇编代码完成的，因为它们需要遵循约定，以便正确处理参数和返回值，以及执行硬件特定的陷阱指令。而之所以我们不必写汇编代码来 trap 操作系统，是因为已经有人为我们写了这些汇编。

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过程调用和系统调用的区别

过程调用系统调用
过程（库函数）调用通常用于应用程序中对一般文件的访问。系统调用通常用于底层文件访问。
调用函数库中的一段程序（或函数）。它调用系统内核的服务。
在用户空间运行，调用开销较小。需要在用户空间和内核空间来回切换，开销较大。
库函数调用是系统无关的，因此可移植性好。系统调用是操作系统相关的，因此一般没有跨操作系统的可移植性。
在所有的ANSI C编译器版本中，C库函数是相同的。各个操作系统的系统调用是不同的。
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