【OS操作系统】Operating System 第二章：启动、中断、异常和系统调用

OS操作系统系列文章目录

【OS操作系统】Operating System 第一章：操作系统的概述
【OS操作系统】Operating System 第二章：启动、中断、异常和系统调用
【OS操作系统】Operating System 第三章：连续内存分配
【OS操作系统】Operating System 第四章：非连续内容分配
【OS操作系统】Operating System 第五章：虚存技术
【OS操作系统】Operating System 第六章：页面置换算法
【OS操作系统】Operating System 第七章：进程与线程
【OS操作系统】Operating System 第八章：处理机调度
【OS操作系统】Operating System 第九章：同步互斥问题
【OS操作系统】Operating System 第十章：信号量与管程
【OS操作系统】Operating System 第十一章：死锁与进程通信
【OS操作系统】Operating System 第十二章：文件系统

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第二章：启动、中断、异常和系统调用

 

计算机的启动过程

 

• CPU、I/O、内存 通过总线连接；
   
• Disk（硬盘）：存放OS和Bootloader；
   
• BIOS（基于I/O处理系统）：开机自检外设，并加载相应的软件进行执行；
   
• Bootloader：加载OS，将OS从硬盘放入到内存中；
  • 位于磁盘的第一个引导扇区；
  • 会将OS的代码和数据加载到内存中；
  • OS加载完成后，会跳转到OS的起始地址，并将控制权交给OS；

 

• 开机流程：
  • 电脑通电，CPU通过CS:IP = 0xf000:fff0的内存地址（由硬件设定），执行第一条指令，即启动BOIS；
    其中CS是段寄存器，IP是指令寄存器；
  • BIOS首先会进行POST（加电自检），检测各I/O口和外设；
  • BIOS将Bootloader从磁盘的引导扇区（512字节）加载到内存0x7c00中；
  • 跳转到CS:IP = 0000:7c00的内存区域；
  • Bootloader会将OS的代码和数据从磁盘加载到内存中；
  • 跳转到OS的内存位置，至此OS开始执行；
     

中断、异常、系统调用

 

中断（异步）

 

• 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；

 

• 中断处理流程：
  • 先进行硬件部分：
    • 将内部、外部事件设置中断标记；
    • 中断事件的ID识别；
  • 后进行软件部分：
    • 保存当前的处理状态（寄存器之类的一些数据）；
    • 根据中断事件的ID跳转到中断服务程序，中断程序进行处理；
    • 清除中断标记，并恢复之前保存的处理状态；

 

异常（同步）

 

• 异常来源于不良的应用程序，非法指令或其它坏的处理状态（如：内存出错）；

 

• 异常处理流程：
  • 保存现场；
  • 异常处理：
    • 杀死产生异常的程序；
    • 重新执行异常程序；
  • 恢复现场；

 

系统调用（异步或同步）

 

• 系统调用来源于应用程序，应用程序主动向OS发出服务请求；
  程序访问主要是通过高层次的API，而不是直接调用系统；

 

• API分类
  • Win32 API用于Windows；
  • POSIX API用于POSIX-based systems（包括UNIX、LINUX、Mac OS X）；
  • Java API用于JAVA虚拟机（JVM）；

 

• 特点：
  • 一般情况，系统调用都有对应的序号；
    而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 ，会去 调用内核态中，预期的系统调用；
    并返回系统调用的 状态和其它任何返回值；
  • 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OS会返回什么结果；
    OS接口的细节大部分都会隐藏在API中；

 

• 用户态：OS运行中，CPU执行的特权级的状态，特权很低，不能访问特殊机器指令和IO，且不能直接执行特权指令；
• 内核态：OS运行中，CPU执行的特权级的状态，特权很高，可以执行CPU任何一条指令；

 

• 系统调用进行时，涉及到特权级从用户态转到内核态的过程，且应用程序和OS拥有各自的堆栈空间；
  这两个变化比函数调用的开销更大，但也更安全和可靠；
  （程序调用是在一个栈空间实现参数的调用和返回）

 

• 跨越OS边界的开销
  • 在执行时间上的开销超过程序调用的；
  • 开销包括：
    • 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）；
    • 内核态独立的地址空间（TLB）；

 

区别

类型	源头	处理时间	响应
中断	外设	异步	持续，对应用程序透明
异常	应用程序意想不到的行为	同步	杀死或重新执行指令
系统调用	应用程序请求系统提供服务	同步或异步	等待或持续

中断的异步：应用程序不知道什么时候会发生中断

异常的同步：执行到某一条指令一定会发生该异常

 

• 应用程序不能直接访问硬件
  • 在计算机运行时，内核是被信任的第三方；
  • 只有内核可以执行特权指令；
  • 为了方便应用程序的设计；