操作系统

操作系统启动

简单的启动过程：

DISK：存放OS

BIOS：基本I/O处理系统

BootLoader：加载OS

POST（加电自检）：寻找显卡和执行BIOS

执行步骤：

• BIOS：将bootloader从磁盘的引导扇区加载到0x7c00，跳转到CS:IP = o00o:7c00
• bootloader：将操作系统的代码和数据从硬盘中加载到内存中，跳转到操作系统的起始地址

中断、异常和系统调用

• 系统调用：应用程序主动向操作系统发出服务请求
• 异常：非法指令或者其他坏的处理状态
• 中断：来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断

操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用？他们三者有什么特点和区别？

• 源头不同

• 中断：外设产生的
• 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

• 处理时间：

• 中断：异步
• 异常：同步
• 系统调用：异步或者同步

• 响应状态

• 中断：持续，对用户应用程序是透明的
• 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指定
• 系统调用：等待和持续

中断和异常的处理机制

中断：

• 中断是外设的事件
• 异常是内部CPU的事件
• 中断和异常迫使CPU访问到一些被中断和异常服务访问的功能

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
  
• 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

异常：异常编号

• 保存现场
• 异常处理

• 杀死产生异常的程序
• 
  
• 重新执行异常指令

• 恢复现场

系统调用

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API接口而不是直接进行系统调用

• Win32 API用于Windows
• POSIX API 用于POSIX-based systems（包括unix, linux, mac os等）

• 通常情况下，与每个系统调用相关的序号

• 系统调用接口会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

• 并且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时如何实现的

• 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

• 通过运行程序支持的库来管理（用包含编译器的库来创建函数）

跨操作系统边界的开销

• 在执行时间上的开销超过程序调用
• 开销：

• 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
• 建立内核堆栈
• 验证参数
• 内核态映射到用户态的地址空间，更新页面映射权限
• 内核态独立地址空间TLB