【清华大学】深入理解操作系统（陈渝） 第二章
目录
- 计算机探究计算机启动过程
- 作用解析
- 结构
- 开机流程
- 中断、异常、系统调用
- 中断
- 中断流程
- 异常
- 异常处理流程
- 系统调用
- APIs
- 特点
- 跨越操作系统边界的开销
- 区别
- 为什么应用程序不能直接访问硬件？
计算机探究计算机启动过程
作用解析
Disk : 存放OS和Bootloader
BOIS : 基于I/O处理系统
Bootloader : 加载OS，将OS放入内存
结构
Disk
|___ OS
|___ Bootloader
开机流程
BIOS
开机后，寻找显卡和执行BIOS (此时, CS : IP = 0xF000 : 0xFFF0, CS/IP 两个寄存器)
将Bootloader从磁盘的引导扇区加载到0x7C00 (Bootloader一共占用512M字节的内存)
跳转到 CS : IP = 0x0000 : 0x7C00
Bootloader
将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中
跳转到操作系统的起始地址
中断、异常、系统调用
中断
中断来源于外设，来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断。
中断流程
硬件：设置中断标记（CPU初始化）
- 将内部、外部事件设置中断标记
- 中断事件的ID
软件
- 保存当前处理状态（寄存器之类的一些数据）
- 根据中断事件的ID跳转到中断服务程序，中断服务程序处理
- 清楚中断标记
异常
异常来源于不良的应用程序，非法指令或者其他坏的处理状态（如：内存出错）。
异常处理流程
保存现场
异常处理
杀死了产生异常的程序
重新执行异常指令
恢复现场
系统调用
系统调用来源于应用程序，应用程序主动向操作系统发出服务请求。程序访问主要是通过高层次的API，而不是直接调用系统调用函数。
APIs
Win32 API 用于Windows
POSIX API 用于 POSIX-based systems（包括UNIX，LINUX，Mac OS X）
Java API 用于JAVA虚拟机
特点
通常情况下，每个系统调用有对应的序号
系统调用接口根据这些序号来维护表的索引
系统调用接口调用内核态中预期的系统调用
并返回系统调用的状态和其他任何返回值
用户不需要知道系统调用是如何实现的
只需要获取API和了解操作系统将什么作为返回结果
操作系统接口的细节大部分都隐藏在API中
**用户态：**操作系统运行中，CPU处于的特权级别，不能直接执行特权指令
**内核态：**操作系统运行中，CPU处于的特权级别，可以执行任何一条指令
**系统调用：**触发CPU从用户态到内核态的转换，切换程序和内核的堆栈，需要一定的开销
跨越操作系统边界的开销
（值得的且必须的，保证了操作系统的安全性）
- 在执行时间上的开销超过程序调用
- 开销：
（1）.建立中断、异常、系统调用号与对应服务例程映射关系的初始化开销
（2）.建立内核堆栈
（3）.验证参数
（4）.内核态映射到用户态的地址空间（更新页面映射权限）
（5）.内核态独立地址空间（TLB）
区别
类型 源头 处理时间 响应
中断 外设 异步 持续，对应用程序透明
异常 应用程序意向不到的行为 同步 杀死或重新执行指令
系统调用 应用程序请求系统提供服务 同步或异步 等待和持续
异步：应用程序不知道什么时候会发生中断
同步：执行到某一条指令一定会发生该事件
为什么应用程序不能直接访问硬件？
在计算机运行时，内核是被信任的第三方
只有内核可以执行特权指令
为了方便应用程序
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