2.1操作系统的启动

(1)CPU, I/O, 内存通过总线连接。

(2)DISK:存放OS；

BIOS：基本I/O处理系统( basic I/O system); Bootloader: 加载OS到内存中。

(3)当电脑通电时，段寄存器CS和指令寄存器IP能够确定一个内存地址，例如CS:IP = 0xf000:fff0.

(4)POST(加电自检)，寻找显卡和执行BIOS。(显示器，键盘…是否正常)。

(5)步骤：

-BIOS: 将Bootloader从磁盘的磁盘的引导扇区(512字节)加载到0x7c00；跳转到CS:IP=0000:7c00的内存区域(以便下一步)

-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。

(6)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。

(7)异常：(来源于不良的应用程序)非法指令或其它花的处理状态(e.g.内存出错)。

(8)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。

(9)为什么应用程序不能直接访问硬件而是通过操作系统？

-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。

(10)讨论的问题：操作系统如何设计和实现中断/异常和系统调用；他们三者的区别和特点。

(11)产生的源头

-中断：外设(键盘/鼠标/网卡/声卡/显卡，可以产生各种事件)

-异常：应用程序意想不到的行为(e.g.异常，恶意程序，应用程序需要的资源未得到满足)

-系统调用(system call)：应用程序请求操作提供服务(e.g.打开/关闭/读写文件，发送网络包)

(12)处理时间

-中断：异步；

-异常：同步；

-系统调用：同步或异步。

(13)响应

-中断：持续，对用户应用程序时透明的

-异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令

-系统调用：等待和持续

2.2操作系统的终端、异常、和系统调用

中断和异常的处理机制

中断是外设的事件

异常是内部迫使cpu访问一些被中断和异常服务访问的功能

中断和异常都一个硬件的处理过程和软件的处理过程，两者和在一起才构成操作系统的具体服务。

将中断和异常编号容易区分，每一个编号有一个对应的地址。

这些中断号会构成一个表，当发生中断或者是异常的时候，只需要去查找这个表，就可以容易查找到对应是哪一个。

中断的处理过程：（包括软件和硬件）

硬件：设置中断标记[cpu初始化]

1、将内部、外部事件设置中断标记

2、中断事件的ID

软件：

1、保存当前的处理状态。便于后续从打断的点继续完成。

2、中断服务程序处理

3、清楚中断标记

4、恢复之前保存的处理状态

异常的处理过程：（异常也会有一个异常的编号）

1、保存现场

2、异常处理

a、杀死产生了异常的程序

b、重新执行异常指令，重新执行这个指令，程序可以继续的执行。

3、恢复现场

系统调用：

程序访问主要是通过高层次的API接口，而不是直接进行系统调用。

这些API定义了可以提供哪些系统调用

• 通常情况下，与每个系统调用相关的序号

    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

1）只需要获取API和了解操作新系统将什么作为返回结果

2）操作系统接口的细节大部分都隐藏在API中

3）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集）

两个概念：用户态和内核态

• 用户态：

应用程序在执行的过程中，cpu所处于的一个特权级的状态，其特权级特别低，不能访问某些特殊的机器指令和io

• 内核态：

操作系统运行过程中cpu所处于的一个状态，cpu可以执行任何的一条特权指令和io，可以完全的控制这个计算机系统

**ps：**当一个应用程序调用一个系统调用的时候，会完成从用户态到内核态的转换，从而使控制权从应用程序交到了操作系统来。操作系统就是可以对系统调用识别来完成具体的服务。

函数的调用和系统调用的区别：

函数的调用只是简单的在一个栈空间里完成函数的调用和返回。而在系统调用过程中，由于应用程序和内核都有各自的堆栈，所以这回涉及到一个堆栈的切换，还会涉及特权级的转换，从用户态转换到内核态。这个是有消耗的，但是会换来安全和可靠。

跨越操作系统边界的开销：

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，并且会有一个映射的表，需要对这个表进行维护。

2、操作系统有自己堆栈，需要对这个堆栈进行维护有消耗。（当然，应用程序也有自己的堆栈）

3、操作系统不信任应用程序，会对参数进行检查，会有一个时间是上的开销。

4、数据的内存拷贝，从内核到用户空间，会有一个拷贝的开销。

参考资料：

https://www.bilibili.com/video/av6538245?p=11

https://blog.csdn.net/iwanderu/article/details/103934399