【内核】

在软件工程思想和结构程序设计方法影响下而诞生的操作系统，几乎都是层次式的结构，操作系统的各项功能被设置在不同的层次上

一些与硬件关联紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等，会放置在操作系统的最底层，同时，运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理、设备管理等，也同样会放在最底层，这些程序被统称为内核程序

由内核程序组成的数据结构，被称为内核（Kernel），其就是处于最底层、最核心的内核程序的集合

不同的操作系统对内核的定义不同，大多数操作系统内核包括时钟处理、中断机制、原语、系统控制的数据结构及处理这四个方面

1.时钟处理

在计算机的各类部件中，时钟，是最关键的设备，其第一功能是计时，操作系统通过时钟管理，来向用户提供标准的系统时间

此外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换

2.中断处理

引入中断技术的初衷，是提高多道程序运行环境中 CPU 的利用率，随着操作系统的发展，中断形成了多种类型，称为了操作系统各项操作的基础

在中断机制中，只有一小部分功能属于内核，如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

这样能够有效的减少中断处理时间，提高系统的并行处理能力

3.原语

按层次设计的操作系统，其底层必然是可被调用的公用小程序，其各自完成一个规定的操作，这些程序被称为原语（Atomic Operation），具有以下特点：

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以被定义为原语，在原语执行过程中，为保证原子性，会关闭中断，让它的所有动作不可分割地完成后再打开中断

4.系统控制的数据结构及处理

系统中用来登记信息的数据结构有很多，如：作业控制块、进程控制块、设备控制块、消息队列、缓冲区、空闲区分配表、内存分配表等等

为实现有效的管理，系统就需要一些基本的操作，常见的操作有：

【核心态与用户态】

在计算机系统中，通常 CPU 要执行两种性质不同的程序：

这两种程序的作用不太，内核程序是应用程序的管理者，而作为管理者，就需要执行一些特殊的命令，这些特殊的命令被称为特权指令，由此，有了特权指令与非特权指令的划分

在操作系统的具体实现上，通过状态寄存器 PSW 来标识两类程序的转换，由此划分出两种状态：

操作系统内核工作在核心态，应用程序工作在用户态，系统不允许应用程序实现核心态的功能，但又必须使用这些功能，因此就要考虑这两种状态如何转换

在实际的操作系统中，当内核态转为用户态时，往往通过特权指令，将 PSW 标志位设为用户态；当用户态转为内核态时，通过 CPU 检测中断信号，由硬件自动变为内核态，即中断屏蔽

简单来说，在某些情况下内核会将 CPU 主动权让给应用程序，中断，是让内核夺回 CPU 使用权的唯一途径，若无中断机制，一旦应用程序运行，其将会一直运行下去

中断（Interruption），也称外中断，是指来自 CPU 执行命令以外的事件的发生，如时钟中断、I/O 请求等，这一类中断通常是与当前程序运行无关的事件，即与当前处理机所运行的程序无关

异常（Exception），也称内中断、陷入（Trap），是指来自 CPU 执行指令内部的事件，如非法操作码、算术溢出、地址越界等，这一类问题的处理一般要依赖于当前程序的运行现场，且异常不能被屏蔽，一旦出现要立即处理

系统调用，是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，其可以被看作特殊的公共子程序

系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作，都必须通过系统调用的凡是提出服务请求，并由操作系统代为完成

通常，一个操作系统所提供的系统调用命令有几十甚至上百条之多，这些系统调用按功能可大致分为以下几类：

系统调用运行在系统的核心态，其可以保证使用系统功能时系统的稳定性和安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令