操作系统from清华大学向勇，陈渝笔记（二）操作系统的启动、中断、异常、系统调用

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2-1 操作系统的启动
2-2 操作系统的中断、异常、系统调用

2-1 操作系统的启动

启动：机器三部分

          &CPU
总线———|———|————|—————|         |I/O      内存

Disk而不是内存存放OS，BIOS（基本I/O操作系统）提供支持，检测外设。硬盘上有个小程序Bootloader用于加载os。
内存中有一部分是BIOS占满，第一步从特定地址开始执行
CS:IP=0xf000:fff0. （以X86为例）
CS 段寄存器 IP 指令寄存器
之后BIOS会post 加电自检，寻找显卡（找屏幕），有键盘鼠标等外设，BIOS将其初始化；把BOOTLOADER从硬盘上加到内存，自身跳转到CS:IP=0000:7c00

Bootloader会将OS的代码和数据加载到内存中，把控制权给操作系统（跳转到OS的起始地址）。

2-2 操作系统的中断、异常和系统调用

操作系统正常工作后，与设备和程序交互。
interface包含三个，面向外设通过中断和i/o，面向应用程序通过系统调用和异常。

系统调用：应用程序主动向OS发出服务请求system call，一种特殊指令
异常：不良的应用程序，非法指令或者坏的处理状态
中断：有外设来发送请求了，来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断

为什么应用程序不能直接访问外设？
OS 的kernel 是被信任的第三方（安全），是主管manager，只有内核可以执行特权指令，给上层应用提供简单的借口，屏蔽底层device的差异和复杂性，使APP更易用，可移植。

操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用？

三者差异：
1. 源头不一样，网卡声卡显卡等等产生事件—中断；APP意想不到的行为—异常；APP主动请求OS提供服务—系统调用
2. 处理时间不一样。中断：异步；异常：同步；系统调用：同步或异步
异步的含义：当一个事件发生时，APP并不知道它什么时候会发生
异常和系统调用都是一个特定指令触发了事件，同步时间点。
系统调用也有可能异步，当发出请求后返回的时间是异步的。如果APP在发出请求后没有等待，而是干别的去了，返回点是异步的。而请求的点是同步的。
3.响应状态
中断：持续，app对用户是透明的，感觉不到
异常：杀死或重新执行APP的异常指令，也透明
系统调用：等待和持续，不会重复执行

中断和异常的处理机制
中断—-
硬件：设置中断标记（cpu初始化），CPU看到具体的中断事件的ID中断号（程序访问的中断向量地址），根据中断表，访问一些为该事件服务的功能，跳到对应地址。
软件：OS要保存当前程序处理状态，中断服务程序处理（根据具体的时间ID对应功能/地址），清除中断标记，恢复之前保存的处理状态（应用程序是不知道的，是透明的）
异常——
异常编号，OS会保存现场，异常处理（杀死程序or OS修复程序需要的服务后重新执行异常指令），恢复现场。应用程序不知道在执行到特定指令后会产生异常，也是透明的。
系统调用——
应用程序调用printf时会触发系统调用write()，OS再去访问对应的外设。执行后OS返回一个成功或者失败。程序访问主要是通过高层的API接口而不是直接系统调用。常用的有：
Win32 API
POSIX API 通用可移植 linux unix mac os x
最底层就是win32 or posix 定义了操作系统到底能提供哪些系统调用
JAVA API 用于JAVA虚拟机（JVM）

OS是怎么设计和实现系统调用的？
通常，系统调用接口根据与每个系统调用相关的序号维护一个索引表；系统调用接口调用内核态中预期的系统调用，并return状态和other values，用户不需要知道具体实现，只要获取API和了解return 结果，接口的细节都隐藏在API中，通过APP所支持的库来管理（用包含编译器的库来创建函数集）。

APP直接或间接通过library code库访问系统调用的接口，并触发内核态到用户态的转变，控制权从应用程序交到了OS，OS标识ID号后完成具体的服务。
内核态：OS运行中，CPU处的高权限的状态，OS可以执行任何CPU提供的任何指令或调用I/O。
用户态：APP执行中，CPU处的一个较低权限的状态。不能直接访问特殊的机器指令和I/O

系统调用与传统的函数调用区别在两点：
APP发出函数调用时，在一个栈空间完成了函数的传参和返回，系统调用时，应用程序和OS内核各自拥有堆栈，有栈的堆栈和特权级的转换，需要开销，大于函数调用。但相对更安全可靠。

三种行为（中断、异常、系统调用）跨越了OS边界。执行时间上开销超过直接程序调用。开销包括：
1. 初始环节要对事件ID号与对应服务历程建立映射表
2. OS有自己的堆栈，要建立和维护内核堆栈（保存，恢复）
3. 操作系统不信任APP，有验证参数，检查的过程
4. 从内核态映射到用户态的地址空间，如果引起内存变化，更新页面映射权限，
5. 内核态独立地址空间 TLB

是值得的，保证安全可靠。

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