操作系统—启动 & 中断、异常 和 系统调用

启动

• DISK：存放OS

  ➢ 在DISK上，还存在Bootloader，用于加载OS，将OS从硬盘加载到内存中

• BIOS：基于I/O处理系统

计算机启动流程

启动时计算机内存和磁盘布局

从一个特定地址开始执行：CS:IP = 0xf000:fff0 分别代表这两个寄存器的值（CS：段寄存器；IP：指令寄存器) ，这两个寄存器合在一起可以形成一个具体的内存地址。

一开始加电，BIOS就从这个内存地址开始执行，POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS。

一些基本的操作都要由BIOS来进行初始化的检查。

检查完发现这些显卡以及外设都是可以正常工作的，接下来就需要把bootloader从硬盘放到内存中。

加载程序（bootloader）

加载程序的内存地址空间

Bootloader放在硬盘的第一个主引导扇区（512字节）。BIOS从硬盘的第一个扇区寻找，一下便找到Bootloader，Bootloader再负责加载OS。

之后，由Bootloader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中。之后，控制权交给到OS（跳转到OS的起始地址）。

操作系统与设备和程序交互

定义

• 中断（hardware interrupt） 来源于外设

  ➢ 来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断

• 异常（exception） 来源于不良的应用程序

  ➢ 非法指令或者其他坏的处理状态（如：内存出错）

• 系统调用（system call） 来源于应用程序

  ➢ 应用程序主动向操作系统发出服务请求

为什么应用程序不能直接访问我们的外设，而要通过操作系统呢？

• 在计算机运行中，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

中断、异常和系统调用比较

异步：应用程序不知道什么时候会发生

同步：执行到某一条指令一定会发生

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。

中断流程

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（指程序访问的中断向量地址 => 找到对应的处理历程）

软件

• 保存当前处理状态（寄存器的内容等），便于后续恢复时 能正常使程序从被中断的点继续往下执行
• 中断服务程序处理
• 清楚中断标记
• 恢复之前保存的处理状态

因此，应用程序完全不用感知到中断的产生。

异常处理流程

得到异常编号

• 保存现场

• 异常处理

  ➢ 杀死了产生异常的程序

  ➢ 重新执行异常指令

• 恢复现场

系统调用

操作系统服务的编程接口

系统调用来源于应用程序 需要操作系统提供服务，这些服务需要操作系统来执行，这个过程就需要一个接口：系统调用接口

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

标准C库的例子

三种最常用的应用程序编程接口（API）：

• 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 跨平台）

实现

• 通常情况下，每个系统调用对应一个系统调用号

  • 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集）

函数调用和系统调用的不同处

用户态：操作系统运行中，级别特别低，不能访问特权指令

内核态：操作系统运行中，级别很高，可以执行任何一条指令，包括特权指令

用户态和内核态的区别

系统调用：触发CPU从用户态到内核态的特权级转换，切换程序和内核的堆栈，需要一定的开销

函数调用只是在一个栈空间完成参数的传递以及返回。

当执行系统调用时，它带来的开销会比函数调用要大很多，当然这个开销是有回报的（安全、可靠，且是必须要付出的代价）。

跨越操作系统边界的开销

这些代价 确保整个系统 安全、可靠，正常运行

• 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（建表）

  ➢ 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）

系统调用示例

系统调用库接口示例

整理自 【清华大学】 操作系统

最后

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