操作系统的启动和中断

操作系统

操作系统启动

简单的启动过程：

DISK：存放OS

BIOS：基本I/O处理系统

BootLoader：加载OS

POST（加电自检）：寻找显卡和执行BIOS

执行步骤：

• BIOS：将bootloader从磁盘的引导扇区加载到0x7c00，跳转到CS:IP = o00o:7c00
• bootloader：将操作系统的代码和数据从硬盘中加载到内存中，跳转到操作系统的起始地址

中断、异常和系统调用

• 系统调用：应用程序主动向操作系统发出服务请求
• 异常：非法指令或者其他坏的处理状态
• 中断：来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断

操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用？他们三者有什么特点和区别？

• 源头不同

  • 中断：外设产生的
  • 异常：应用程序意想不到的行为
  • 系统调用：应用程序请求操作提供服务

• 处理时间：

  • 中断：异步
  • 异常：同步
  • 系统调用：异步或者同步

• 响应状态

  • 中断：持续，对用户应用程序是透明的
  • 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指定
  • 系统调用：等待和持续

中断和异常的处理机制

中断：

• 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访问到一些被中断和异常服务访问的功能

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

软件：

• 保存当前处理状态

• 中断服务程序处理

• 清除中断标记

• 恢复之前保存的处理状态

异常：异常编号

• 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
• 恢复现场

系统调用

例子：应用程序调用printf()时，会触发系统调用write()

• 程序访问主要是通过高层API接口而不是直接进行系统调用

  • Win32 API用于Windows
  • POSIX API 用于POSIX-based systems（包括unix, linux, mac os等）

• 通常情况下，与每个系统调用相关的序号

  • 系统调用接口会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

  • 并且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时如何实现的

  • 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）

跨操作系统边界的开销

• 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