[操作系统]第二课

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-04-23 04:38 288阅读 0赞

> 课程来源《操作系统\_清华大学(向勇、陈渝)》

还参考了文章：[https://blog.csdn.net/github\_36487770/article/details/54925696][https_blog.csdn.net_github_36487770_article_details_54925696]

**1.操作系统的启动**

启动：

*  计算机体系结构概述
 *  计算机内存和硬盘布局
 *  开机顺序

中断、异常和系统调用：

*  背景
 *  中断、异常和系统调用相比较
 *  中断和异常处理机制
 *  系统调用的概念
 *  系统调用的实现
 *  程序调用与系统调用的不同之处
 *  开销

DISK：存放OS  
BIOS：基本I/O处理系统  
最初的时候，OS并不是存放在内存中，OS存放在DISK硬盘中，通过BIOS提供支持，BISO监测各种各样外设，加载相应的软件进行执行，所以可以加载Bootloader，Bootloader负责加载OS，让OS从硬盘放到内存中去，CPU执行操作系统。

BIOS需要从一个特定地址执行，CS：IP = 0xf000：fff0（CS：段寄存器；IP：指令寄存器），完成接下来一系列工作，比如加电自检（POST）等。

BIOS作用：  
1.将Bootloader从磁盘的引导扇区（512字节）加载到0x7c00  
2.跳到CS：IP=0000：7c00

Bootloader作用：  
1.将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中  
2.跳转到操作系统的起始位置（CPU控制权就交到了OS上）  
3.OS就可以在内存中进行些必要的工作了（这时候计算机的管理是处在OS之下了）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

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更详细关于BIOS介绍：[https://blog.csdn.net/sdulibh/article/details/72822697][https_blog.csdn.net_sdulibh_article_details_72822697]

BIOS(basic input/output system,基本输入输出系统)是一组被固化到电脑中，为电脑提供最低级、最直接的硬件控制的程序，它是连接软件程序和硬件设备的枢纽。

BIOS存在目的：检测硬件、初始化硬件、分配资源(如IO地址、IRQ号、DMA通道等)以及协助加载操作系统。

它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动自举程序。 其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

系统激活流程为：打开电源开关—CPU初始化—BIOS激活—读取并校验CMOS资料、检测硬件状态(此时BIOS代码在flash memo中运行)—生成SMBIOS表格—检测、配置并初始化各硬件—加载bootloader 。

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**2.操作系统的中断、异常、和系统调用**

操作系统与设备和程序交互：  
1.面向外设是通过I/O和中断  
2.面向应用程序是通过系统调用和异常

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  
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络的中断

为什么应用程序不能直接访问外设呢？  
1.在计算机运行中，内核是被信任的第三方（外设，应用程序不可信任）  
2.只有内核可以执行特权指令  
3.为了方便应用程序（通过OS给应用程序提供一个统一的接口，屏蔽外设device的不同，让应用程序通用、可移植）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
操作系统如何设计和实现中断（interupt）、异常（exception）和系统调用（system call），它们三者有什么区别和特点？  
1.源头不一样：  
中断：外设，网卡声卡显卡等等产生事件  
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  
2.处理时间不一样：  
中断：异步；  
异常：同步；  
系统调用：同步或异步

异步的含义：当一个事件发生时，APP并不知道它什么时候会发生  
异常和系统调用都是一个特定指令触发了事件，同步时间点。  
系统调用也有可能异步，当发出请求后返回的时间是异步的。如果APP在发出请求后没有等待，而是干别的去了，返回点是异步的。而请求的点是同步的。

如两个人聊天，如果是打电话那就是同步（因为两个人必须同时在电话旁），而发短信就像异步，我发给你我就不管了，等你看到了在回我，即不同步（异步），异步是相对于同步来说的。

**注意：一个是进程执行的同步和异步，一个是通信里的同步和异步，两个不一样**

3.响应状态不一样：  
中断：持续，app对用户是透明的，感觉不到  
异常：杀死或重新执行APP的异常指令，也透明  
系统调用：等待和持续，不会重复执行

**中断和异常的处理机制 ：**  
中断—-  
硬件：设置中断标记（cpu初始化），CPU看到具体的中断事件的ID中断号（程序访问的中断向量地址），根据中断表，访问一些为该事件服务的功能，跳到对应地址。  
软件：OS要保存当前程序处理状态，中断服务程序处理（根据具体的时间ID对应功能/地址），清除中断标记，恢复之前保存的处理状态（应用程序是不知道的，是透明的）

异常——  
异常编号，OS会保存现场，异常处理（杀死程序or OS修复程序需要的服务后重新执行异常指令），恢复现场。应用程序不知道在执行到特定指令后会产生异常，也是透明的。

系统调用——  
应用程序调用printf时会触发系统调用write()，OS再去访问对应的外设。执行后OS返回一个成功或者失败。程序访问主要是通过高层的API接口而不是直接系统调用。

程序访问主要是通过高层的API接口而不是直接系统调用。常用的有：  
Win32 API  
POSIX API 通用可移植 linux unix mac os x  
最底层就是win32 or posix 定义了操作系统到底能提供哪些系统调用  
JAVA API 用于JAVA虚拟机（JVM）

OS是怎么设计和实现系统调用的？  
通常，系统调用接口根据与每个系统调用相关的序号维护一个索引表；系统调用接口调用内核态中预期的系统调用，并return状态和other values，用户不需要知道具体实现，只要获取API和了解return 结果，接口的细节都隐藏在API中，通过APP所支持的库来管理（用包含编译器的库来创建函数集）。

APP直接或间接通过library code库访问系统调用的接口，并触发内核态到用户态的转变，控制权从应用程序交到了OS，OS标识ID号后完成具体的服务。  
内核态：OS运行中，CPU处的高权限的状态，OS可以执行任何CPU提供的任何指令或调用I/O。  
用户态：APP执行中，CPU处的一个较低权限的状态。不能直接访问特殊的机器指令和I/O

系统调用与传统的函数调用区别在两点：  
APP发出函数调用时，在一个栈空间完成了函数的传参和返回，系统调用时，应用程序和OS内核各自拥有堆栈，有栈的堆栈和特权级的转换，需要开销，大于函数调用。但相对更安全可靠。

三种行为（中断、异常、系统调用）跨越了OS边界。执行时间上开销超过直接程序调用。开销包括：

1.  初始环节要对事件ID号与对应服务历程建立映射表
2.  OS有自己的堆栈，要建立和维护内核堆栈（保存，恢复）
3.  操作系统不信任APP，有验证参数，检查的过程
4.  从内核态映射到用户态的地址空间，如果引起内存变化，更新页面映射权限，
5.  内核态独立地址空间 TLB

[https_blog.csdn.net_github_36487770_article_details_54925696]: https://blog.csdn.net/github_36487770/article/details/54925696
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[https_blog.csdn.net_sdulibh_article_details_72822697]: https://blog.csdn.net/sdulibh/article/details/72822697
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