2. 操作系统—中断、异常、系统调用

🌗1. 启动

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作用解析

• Disk : 存放 OS 和 Bootloader

• BIOS : 基于 I/O 处理系统（主要是计算机开机后，能够检查各种外设，然后加载软件执行）

• Bootloader : 加载 OS，将 OS 从磁盘放入内存

注意：os 最开始不是放到内存中的，而是放到 disk（硬盘）中，由 bios 提供支持

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开机流程

1. BIOS

   开机后，寻找显卡和执行 BIOS (此时, CS : IP = 0xF000 : 0xFFF0, CS/IP 两个寄存器)

   将 Bootloader 从磁盘的引导扇区加载到 0x7C00 (Bootloader 一共占用 512M 字节的内存)

   跳转到 CS : IP = 0x0000 : 0x7C00
   

2. 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

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当 os 运行后，os 会与外设和应用程序打交道（面向外设通过中断和IO，面向应用程序是异常和调用）

🌗2. 中断、异常和系统调用

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

异常（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）

中断（来源于外设）

• 来自不同的硬件设备的计时器和网路的中断

🌔2.1 为什么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

🌔2.2 操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用

🌑2.2.1 中断

• 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。

中断流程

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（寄存器之类的一些数据）

2. 根据中断事件的 ID 跳转到中断服务程序，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

🌑2.2.2 异常

异常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）。

异常处理流程

1. 保存现场

2. 异常处理

3. 杀死了产生异常的程序

   重新执行异常指令

   恢复现场

🌑2.2.3 系统调用

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。程序访问主要是通过高层次的 API，而不是直接调用系统调用函数。

APIs

• 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

特点

• 通常情况下，每个系统调用有对应的序号

  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在 API 中

用户态：操作系统运行中，CPU 处于的特权级别，不能直接执行特权指令

内核态：操作系统运行中，CPU 处于的特权级别，可以执行任何一条指令

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

当应用程序调用系统调用时，会完成用户态到内核态的转换，从而使得控制权从应用程序交给 os，os 可以根据发出的 ID 做出标识，完成具体服务

🌔2.3 系统调用和函数调用区别

• 应用程序发出函数调用时是在一个栈中完成参数的传递和参数的返回

• 系统调用时，应用程序和内核（os）有自己独立的栈，当从用户态到内核态时，需要进行堆栈的切换
  

跨越操作系统边界的开销（值得的且必须的，保证了操作系统的安全性）

• 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）

🌔2.4 三者的区别和特点

• 同步：执行完一个函数或者方法后，一直等待系统返回值或消息，这时程序是阻塞的，只有接收到返回的值或者消息后才往下执行其他命令。

• 异步：执行完一个函数或者方法后，不必阻塞性的等待返回值或消息，只需要向系统委托一个异步过程，当系统接收到返回值时系统自动触发委托异步过程。