2.操作系统的启动、中断、异常和系统调用

• 启动

（1）计算机体系结构概述

（2）计算机内存和硬盘布局

（3）开机顺序

• 中断、异常和系统调用

（1）背景

（2）中断、异常和系统调用相比较

（3）系统调用的概念

（4）系统调用的实现

（5）程序调用与系统调用的不同之处

（6）开销

2.1 操作系统的启动

DISK：存放OS

BIOS：基本I/O处理系统

Bootloader：加载OS

BIOS需要从一个特定的地址开始执行，以x86的地址来看是一个固定的地址， 上电之后将会从这个地址来执行，执行一些列的工作包括（自检：寻找显卡和执行BIOS）。

BIOS是如何把Bootloader放进去的？

Bootloader是放在硬盘上的，一般放在硬盘的第一个主引导扇区（512个字节）。BIOS加载Bootloader，bootloader再负责加载OS。

BIOS将Bootloader从硬盘的引导扇区（512字节）加载到0x7c00，跳转到CS：IP = 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。

操作系统与设备和程序的交互

操作系统的interface：系统调用、异常和中断

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）：非法指令或者其它坏的处理状态（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的中断

在计算机的运行中，内核是被信任的第三方，只有内核可以执行特权指令，为了方便应用程序。

操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用？

它们三者有什么区别和特点？

源头：

• 中断：外设
• 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。异步就是说，当这个事件产生的时候，我们的应用程序并不知道这个事件什么时候会产生，这就是异步。
• 异常：同步
• 系统调用：同步或异步

响应：

• 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令
• 系统调用：等待和持续

2.2 操作系统的中断、异常和系统调用

中断和异常处理机制：

• 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）

（1）将内部、外部事件设置中断标记

（2）中断事件的ID

软件：

（1）保存当前处理状态

（2）中断服务程序处理

（3）清除中断标记

（4）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：杀死产生了异常的程序；重新执行异常指令
• 恢复现场

系统调用

标准C库例子：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的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 system（包括UNIX，LINUX，Mac OS X的所有版本）

Java API用于JAVA虚拟机（JVM）

• 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，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再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集）

系统调用和函数调用的区别：

当应用程序进行函数调用时，其实是在一个栈空间完成了一个函数的参数的传递，参数的返回。系统调用的执行过程中， 应用程序和操作系统的内核拥有各自的堆栈，意味着，当应用程序发出系统调用之后，切换到内核中去执行的时候，需要去切换堆栈，需要完成特权级的转换（从用户态到内核态的转换），这个转换和堆栈的转换都需要开销，这意味着，执行系统调用的开销会比函数调用大很多，这个开销是有回报的，回报是安全可靠，这是操作系统不得不付出的时间上的代价。

跨越操作系统边界的开销

• 在执行时间上的开销超过系统调用
• 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