操作系统实验：用户态与内核态的系统调用设计

"该文档是关于操作系统实验的详细介绍，主要关注用户态与内核态的切换和系统调用的设计，以实现时钟初始化和显示输出功能。实验在山东大学网络空间安全学院进行，使用了Intel i5-8265U CPU和μC/OS-II操作系统。实验内容包括在内核态和用户态下完成特定任务，以及设计相应的系统调用来允许用户态执行特权操作。" 操作系统是计算机系统的核心，它管理硬件资源，提供服务给上层的应用程序。在这个实验中，学生被要求理解和掌握操作系统中的核心概念——用户态和内核态。这两种状态决定了程序能够访问哪些资源和执行哪些操作。 内核态 是操作系统运行的状态，具有最高的权限，可以执行所有指令，包括对硬件的直接访问，如I/O操作。在实验的第一部分，通过调用`fputcp`函数和设置时钟中断来实现数据输出和进程调度，这展示了内核态下的特权操作能力。 用户态 相对而言权限较低，一般应用程序运行在这种状态下，不允许直接访问硬件，如果尝试进行特权操作，如I/O，会导致系统异常或触发中断。在实验中，通过`ASM_Switch_To_Unprivileged`函数将CPU切换到用户态，此时，由于权限限制，用户态程序不能直接执行I/O操作，需要借助系统调用。 系统调用 是用户态程序请求操作系统服务的一种方式，它通过特定的陷阱指令，如SVC（Supervisor Call）来实现。在用户态下，如果需要初始化时钟或进行输出，必须通过自定义的系统调用来实现。系统调用确保了安全，因为它在进入内核态后执行操作，然后返回用户态，中断处理过程尽可能短，以减少系统的开销。 实验中提到的控制寄存器(control) 是ARM架构中的关键组件，用于控制处理器的工作模式和权限级别。通过修改`control[0]`和`control[1]`位，可以切换线程模式和堆栈指针选择，从而在用户态和内核态之间切换。 实验的目的是让学生深入理解操作系统的工作原理，尤其是用户态和内核态之间的转换，以及如何在用户态下安全地执行特权操作。这对于理解操作系统的并发控制、内存管理和安全性等核心概念至关重要。通过这样的实践，学生能够更好地掌握操作系统设计的精髓，为将来进行更复杂的系统级编程打下坚实基础。