中断与系统调用1

在计算机系统中，用户态和内核态是CPU运行的两种基本模式，分别代表了不同的权限级别。用户态是应用程序通常运行的状态，它受到限制，不能执行特权指令，以防止对系统造成破坏。相反，内核态则允许执行所有指令，包括对硬件的直接操作，是操作系统核心运行的状态。当程序尝试执行特权指令或发生异常情况时，CPU会从用户态切换到内核态。 中断是计算机硬件与操作系统交互的重要方式，它可以由硬件事件（如外部设备的信号）或软件指令触发。例如，除零中断发生在计算过程中除数为零时，页错误中断（也称页故障）则发生在访问不存在或无效的内存页时。中断描述符是CPU用来识别和处理中断的结构，它包含中断服务程序的地址和一些控制信息。中断描述符表（IDT）是一张表格，存储了所有中断和异常处理程序的中断描述符，CPU根据中断号查找IDT中的相应条目来响应中断。 系统调用是用户态程序请求操作系统服务的正式途径，它通过特定的陷阱指令（如在x86架构中的INT指令）来触发，使得CPU从用户态切换到内核态。与中断不同，系统调用是可预测和控制的，通常不会被屏蔽，因为它们是程序执行的一部分。 XV6操作系统是教学目的的简化版UNIX，其中断管理初始化始于BIOS，BIOS会设置一些基本的中断处理。在XV6中，中断处理的初始化过程涉及多个步骤，包括禁用和初始化中断控制器（如8259A和APIC）、设置IDT、以及启动其他CPU进行各自的中断初始化。在CPU从内核态切换到用户态的过程中，XV6会创建并执行第一个用户进程，这个过程中涉及的函数如`userinit()`会设置进程上下文，加载用户程序，并通过陷阱指令进入用户态。 用户态和内核态的划分保证了系统的安全性，中断和系统调用提供了硬件与软件间的通信机制。中断处理程序和系统调用子系统是操作系统核心的组成部分，它们协同工作以确保系统能够高效、可靠地响应各种事件和请求。XV6作为一款简单的操作系统，它的中断管理和状态转换机制体现了这些概念的基本实现。