【操作系统/OS笔记03】启动、中断、异常和系统调用

本次笔记内容：
2.1 启动
2.2 中断、异常和系统调用

文章目录

启动
- BIOS加载Bootloader
操作系统与设备和程序交互
- 定义
- 从源头区分
- 从处理时间区分
- 从响应区分
中断、异常和系统调用
- 中断
- 异常
- 系统调用
- 跨越操作系统边界更安全，但开销更大

启动

通电之后，如何启动。

DISK： 存放OS
BIOS： 基本I/O处理系统

在DISK上，还存在Bootloader，用于加载OS。

开始加电时，BIOS从CS:IP这个地址开始执行，之后完成一系列工作，包括：

POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS等。

BIOS加载Bootloader

Bootloader放在硬盘的第一个主引导扇区（512字节）。BIOS从硬盘的第一个扇区寻找，一下便找到Bootloader，Bootloader再负责加载OS。

之后，由Bootloader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中。之后，控制权交给到OS。（跳转到OS的地址）

操作系统与设备和程序交互

操作系统面向外设，通过中断和I/O进行处理；
操作系统面向应用程序通过系统调用和异常提供支持。

定义

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；
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）；
中断（来源于外设）：来自不同的硬件设备的计时器和网络中断。

为什么应用程序不能直接访问外设呢？（必须要经过操作系统？）

在计算机运行中，内核是被信任的第三方；只有内核可以执行特权指令
安全；为应用程序提供了统一的外设接口，方便应用程序开发

从源头区分

中断： 外设（即非CPU产生）
异常： 应用程序意想不到的行为
系统调用： 应用程序请求操作提供服务

从处理时间区分

中断： 异步（不知什么时候产生）
异常： 同步（由指令确定时间）
系统调用： 异步或同步（发出请求的点是同步的，但是获取返回的点可能是异步的）

从响应区分

中断： 持续，对用户应用程序是透明的（感觉不到）
异常： 杀死或者重新执行意想不到的程序指令
系统调用： 等待和持续

中断、异常和系统调用

中断、异常都有针对软硬件的处理过程。对中断和异常进行编号（中断表），编号对应特定地址，跳到处理历程，解决问题。
但是，中断打断了一个程序的正常执行，因此要设置保护与恢复机制。

中断

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，产生中断号，来找到对应的处理历程。
软件： 保存当前处理状态（便于程序从被打断的点继续执行）；中断服务程序处理；清除中断标记；恢复之前保存的处理状态。因此，应用程序完全不用感知到中断的产生。

异常

得到异常编号：

保存现场；
异常处理（杀死了产生异常的程序or重新执行异常指令）；
恢复现场

系统调用

例：标准C库的例子。

应用程序调用printf()时，会触发系统调用write()。

程序访问主要是通过高层次API接口而不是直接进行系统调用。例如：

Win32 API 用于 Windows
POSIX API 用于POSIX-based systems(包括UNIX，LINUX，Mac OS X的所用版本)
Java API用于JAVA虚拟机（JVM），JVM再访问Win32 API等

程序的用户态是指级别比较低的状态；
操作系统的内核态是等级最高的状态。

应用程序发出系统调用之后，要切换堆栈（操作系统堆栈与其不同），也要实现由用户态到内核态的转换。

跨越操作系统边界更安全，但开销更大

在执行时间上的开销超过程序调用
开销有：
- 建立中断/异常/系统调用号与对应服务
- 建立内核堆栈
- 验证参数（操作系统并不信任程序，要花费时间检查参数）
- 内核态映射到用户态的地址空间，不能使用简单的改变指针的方法，要拷贝
- 内核态独立地址空间 TLB