【操作系统】 第二章 —— 系统调用 中断 异常
操作系统的启动
一、计算机体系结构概述
从计算机原理上看分为三部分： CPU、内存 和 I/O
操作系统并不是直接存储到内存中，让CPU去执行
而是 通过DISK存储【硬盘】
利用BIOS来提供相应的支持【基本I/O处理系统,让OS能够检测计算机的各种外设】
BootLoader加载OS【让操作系统从硬盘中加载到内存中，使CPU可以执行操作系统】
二、计算机内存及硬盘布局
在计算机内存中，BIOS 已经预先占用一部分空间
(1)BIOS 第一步从一个特定的地址开始执行【CS:IP就是它的地址】
(2)第二步 寻找显卡和执行BIOS，检查自身的各种设备是否能正常工作【加电自检 POST】
(3)第三步 把BootLoader从硬盘中放到内存中去
三、开机顺序
BIOS将BootLoader从磁盘的引导扇区加载到0x7c00中之后，CPU的主导权就来到了BootLoader这里。
BootLoader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中,CPU跳到OS的起始地址，OS开始执行
中断 异常 系统调用
一、三者的定义
（1）系统调用：
应用程序 主动向操作系统发出服务的请求
（2）异常
应用程序 在执行过程中出现了一些意想不到的情况，只有由操作系统来处理
（3）中断
外设 需要操作系统提供特殊的支持，通过中断机制让操作系统感知到进而处理
- 为什么应用程序不能直接访问外设？
因为应用程序是不安全的，所以不能直接访问外设，要通过操作系统来访问；通过操作系统屏蔽底层的复杂性，通过提供相应的接口来提供底层服务【安全 便捷】
二、中断、异常和系统调用相比较
三者在操作系统中处理的过程：
- 三者的源头不同：
中断： 源自外设利用中断机制发出的请求
异常：源自应用程序意想不到的行为
系统调用：源自应用程序请求操作系统提供服务
- 三者的处理时间不同：
中断：异步 【发生中断的时间是不确定的】
异常：同步【当出现意外的情况，一定就会发生异常】
系统调用：异步或同步【从指令发出角度来说是同步的，从系统调用返回的角度来说是异步的】
- 三者的相应方式不同
中断：持续的【对用户和应用程序透明】
异常：停止程序或重新执行
系统调用：等待和持续【发起调用后就要排队等待操作系统返回】
三、中断和异常处理机制
当产生一个中断或异常之后，要知道由哪个特定的服务例程来服务
通过表来记录，通过Key记录中断号、异常号
不同的外设产生不同的中断编号，每个编号对应特别的地址
操作系统收到中断，根据这个中断表，可以找到对应中断服务对应的起始地址，跳转执行
中断处理机制：通过软件与硬件来完成保存与恢复机制
- 硬件
对外部内部事件设置中断标记【有了中断标记CPU才会识别到中断产生】
CPU在知道中断标记后，会产生一个中断号发给操作系统
- 软件（操作系统）
保存被打断的执行现场【当前的处理状态】
根据CPU给的中断号查到对应进程的地址，去执行相应的操作
处理完之后，应该让当前被当断的程序继续被执行【恢复现场】
异常处理机制：
- 保存现场
- 异常处理
⭕️ 杀死产生异常的程序
⭕️重新执行异常指令 【操作系统根据知道的原因修复了产生的异常】 - 恢复现场
四、系统调用
-
程序访问主要是通过高层的API接口，而不是直接的系统调用
-
系统调用的实现
(1) 通常情况下，每个系统调用都有相应的序号，系统调用接口根据这些序号来维护表的索引
(2) 系统调用的接口，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 -
用户并不需要要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做为返回结果
将操作系统接口的大部分细节隐藏在API中，通过运行程序支持的库来管理
五、程序调用与系统调用的不同之处
当应用程序发出程序调用的时候，是在一个栈空间完成参数的传递、参数的返回
当应用程序发出系统调用时，这个应用程序和操作系统内核都有各自的堆栈，当发出系统调用，需要切换堆栈，同时需要完成用户态到内核态的转换，需要更大的开销【安全 可靠】
六、开销
对于中断、异常、系统调用都跨越了操作系统的边界，随之而来的是更大的开销
- 在执行时间上的开销超过程序调用
- 额外的开销体现在一下方面：
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