文章目录
- 一、启动：BIOS 与 bootloader
- 中断的处理过程：
- 异常的处理过程
- 系统调用的处理过程
一、启动：BIOS 与 bootloader
从计算机原理的角度来看，最基本的是以下三部分：
其实操作系统一开始并不是放置在内存中的，而是存放在硬盘 disk 上，由 BIOS 【基本输入/输出系统】提供相应的支持，它能在我们按下电源键后，开始检测各种外设，然后加载相应的软件去执行：
如上图所示，BIOS 需要从特定的地址（以 X86 为例，是 Oxf000:fff0，分别表示 CS【段寄存器】和 IP【指令指针寄存器】的值，这两个寄存器合在一起可以形成一个地址的值）开始执行，然后会进行 POST【加电自检】，寻找显卡和执行的 BIOS 。
bootloader 一般放在硬盘的第一个主引导扇区（一般 512 字节），如上图所示，从 OX7C00，往上 512 个字节，放置的是 bootloader 的代码和数据。它能完成的最主要的功能，就是 把 OS 从硬盘加载到主内存中，这样 OS 就能在内存中执行任务了，控制权就交给 OS 了。
操作系统与设备和程序交互 ，主要是 interface 的设计的问题：
（1）操作系统面向外设 是 通过 中断 和 IO 。
（2）操作系统面向应用程序是通过系统调用 和 异常。
🖖先来看看三者的粗糙😌概念：
（1）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。
（2）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。
（3）系统调用（来源自应用程序）
- 应用程序 主动 向操作系统发出服务请求。
🤙为什么需要中断、异常和系统调用
为什么应用程序不能直接去访问外设，而是要通过操作系统？因为在计算机运行中，（操作系统）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，更具有通用性、可移植性。
中断、系统调用、异常的区别：
（异步：操作系统不知道哪时候产生中断。而异常和系统调用，是在特定指令执行后才会产生的，这样的话是同步的。而对于系统调用，发出请求的点是同步的，而返回的点可能是异步的，也可能是同步的。 ❓❓❓没咋懂。）
中断的处理过程：
产生中断后，需要知道中断是由哪个服务例程进行服务，因此，需要建立一个 表，📃 key是中断号，（比如键盘和鼠标对应的中断号就不同） ，value 是服务例程对应的地址。
- 硬件：
在 CPU 初始化时设置中断使能标志，依据内部或外部事件设置中断标志，依据中断向量调用相应中断服务例程。 - 软件（操作系统）：
（1）编译器保存被打断的执行现场
（2）根据中断号查询到对应的服务例程的地址，跳转到该地址执行。
（3）清除中断标记（服务例程）
（4）编译器恢复之前保存的处理状态
（应用程序感知不到有中断产生。）
异常的处理过程
应用程序执行某个特定的指令之后，这个指令触发了异常事件，比如除以零操作，CPU会得到一个异常的 ID 编号，首先需要保存产生异常的执行现场、产生异常的指令、该指令的地址 以及 当前寄存器的内容，然后操作系统会根据异常的编号做相应的处理（可能是退出执行，也可能是弥补服务工作然后恢复，让应用程序重新执行某个指令）。
系统调用的处理过程
系统调用是操作系统服务的编程接口，通常由高级语言编写（C或者C++），程序访问通常是通过高层次的API接口而不是直接进行系统调用。
- 三种最常用的应用程序编程接口（API）：
（1）Win32 API 用于 Windows；
（2）POSIX API 用于 POSIX-based systems (包括UNIX，LINUX，Mac OS X的所有版本)；
（3）Java API 用于JAVA虚拟机(JVM) - 如图所示，应用程序 会直接或间接地通过 函数库 访问系统调用接口，然后就会触发 从用户态【应用程序在执行的过程中，CPU 处于的一个特权级状态，特权级特别地低，不能够直接访问某些机器指令和直接访问 IO】 到 内核态 【操作系统运行的过程中，CPU 处于的状态，操作系统可以执行任意一条指令，这时可以完全控制整个计算机系统】 的转换。从而使得控制权从应用程序交给了操作系统，操作系统可以对应用程序发出的参数 ID 做一个标识，然后就可以进行识别，进而完成具体的服务。
- 系统调用和普通的函数调用的区别：
当应用程序发出函数调用时，是在一个栈 完成了参数的传递和返回；而系统调用，应用程序、内核 ，是具有各自的堆栈，而且需要完成从用户态到内核态的转换，系统调用的开销更大，不过更安全可靠。 - 中断、异常、系统调用 的处理过程，以及与应用程序、外设交互的过程，是跨越了操作系统和应用程序、操作系统和外设的边界的，跨越边界的代价：
（1）在执行时间上的开销超过程序调用的开销。
（2）开销
① 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 （是个表。）
② 建立内核堆栈 （操作系统的堆栈不能和应用程序的堆栈混为一谈。）
③ 验证参数 （操作系统不信任应用程序，所以为了安全起见。）
④ 内核态映射到用户态的地址空间
⑤ 内核态独立地址空间
