【操作系统】系统调用、异常和中断

系统调用、异常和中断

此篇博客针对清华大学陈渝老师的操作系统课程的对应内容。
关于中断、异常、系统调用。实际并没有严格的区分，不同体系结构都有其自己的一套规定，陈渝老师这部分的内容，将三者严格区分，忽略了三者的联系，所以显得比较混乱。
我根据Intel体系结构中对这部分内容的规定以及黑皮书，重新梳理了陈渝老师本节课的内容，
主要涉及定义及关系的梳理，具体细节不过多阐述，希望能够帮助使一些人有更深的理解。

引入

OS为用户提供用户接口(如shell和GUI)使用计算机，同时为应用程序提供了方法去获得OS的服务，这种方法就是系统调用。系统调用涉及到的异常和中断，是较重要的内容，尤其是中断操作。

中断、异常、系统调用

简单一句话串联起这三个东西就是：应用程序请求系统调用时会发出trap信号(一种异常)，有异常就要处理异常，即通过中断处理程序回应系统调用的请求。

CPU的执行状态：内核态和用户态

• 内核态 也称管态、系统态
  此状态的CPU拥有较高的权限，能执行一切指令、访问所有的寄存器和存储区。
• 用户态 也称目态
  它拥有较低的权限，仅能执行规定指令，访问限定的寄存器和存储区。

设置内核态的关键原因就是，防止OS的关键数据被应用程序有意或无意的篡改。一般而言，应用程序运行在用户态，不能执行OS指令及访问OS空间，这题可以防止应用程序对OS的破坏。

系统调用

系统调用是OS提供应用程序去获取OS服务的一种方法，实际是发出了陷阱信号(trap), 启动异常处理程序，使OS由用户态转变为内核态，这样就能够由OS完成一些应用程序做不到的事情a。
由于内核态更靠近OS的底层，CPU的执行过程就像掉入了一个"陷阱"(本来在处于"外层",突然需要响应系统调用来到了"底层")。

模式切换本身也是有代价的，但正是这些代价，才为应用程序提供了简单的接口去使用系统资源，才保证了OS的安全性可靠性。
这些代价将会在文章最后分析。

什么是异常？

异常有三种：陷阱(trap)、错误(fault)和终止(abort)。
在收到异常信号时，CPU就会在完成当前执行指令后暂停该程序，转向执行相应的异常处理程序。

• 陷阱(trap)：陷阱是有意的异常，由应用程序主动发出，完成异常处理程序之后会转回原程序的下一条指令。通常是为了实现系统调用，其异常处理程序就是回应应用程序请求的服务请求。
• 错误(fault)：错误是一种可能被修复的异常，若异常处理程序可以修复错误，则返回原程序，重新执行当前程序；若不能修复，则终止程序。最典型的例子就是缺页。
• 终止(abort)：十分严重的错误，异常原因无迹可循，会终止程序或任务的执行，无法恢复。

中断(广义)的分类

Intel体系结构考虑到异常处理和中断处理的机制近乎相同，就把异常归为广义上中断的一种。这里我们主要遵循Intel的规定。

广义的中断分为两种：外中断和内中断，

• 外中断：(狭义的中断)中断信号来自CPU外部，与CPU无关。
  • I/O中断
  • 时钟中断
• 内中断：也称“异常”,中断信号来自CPU内部，来自正在执行的进程
  • 陷阱
  • 错误
  • 终止

黑皮书上采用MIPS体系结构,则将中断归为异常的一种，即异常包括中断、陷阱、错误和终止。

操作系统模式转换的代价

• 中断处理机制需要维护一个中断向量表，保障中断号与中断服务的映射关系
• 验证系统调用的安全性
• 内核态的操作系统，需要维护一个内核的堆栈，以服务内核进程
• 内核堆栈内的数据需要转移到内存