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《操作系统原理》学习笔记：第2章 操作系统基础操作

• 2.1 操作系统的启动
• 2.2 操作系统与设备和程序交互
• 2.3 中断、异常和系统调用三者有什么区别和特点
• 2.4 操作系统如何实现中断、异常和系统调用？

• 2.4.1 中断
• 2.4.2 异常
• 2.4.3 系统调用

2.1 操作系统的启动

DISK：存放OS（操作系统并不是存放在内存中，而是放在磁盘，由BIOS提供支持）

BIOS：基本I/O处理系统（计算机开机后，可以检测各种外设，加载相应软件执行）

1⃣️ BIOS从特定地址开始执行，之后POST（加电自检，寻找显卡和执行BIOS）

2⃣️ BIOS将Bootloader从磁盘的引导扇区加载至内存中一个特定地址（bootloader一般放于磁盘的第一个扇区）

3⃣️ Bootloader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中

4⃣️ 跳转到OS的起始地址（将CPU的控制权交给操作系统）

2.2 操作系统与设备和程序交互

• interface的设计问题
  面向外设：使用中断，IO进行处理
  面向应用程序：使用系统调用和异常提供功能
• 为什么应用程序不能直接访问外设，而要通过操作系统？
  在计算机运行中，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（提供简单一致的接口，应用程序不需要关心底层复杂细节）

2.3 中断、异常和系统调用三者有什么区别和特点

	中断	异常	系统调用
来源	外设不同硬件设备的计时器和网络的中断	应用程序不良行为非法指令或者其它坏的处理状态（如内存出错）	应用程序主动请求操作提供服务
处理时间	异步不一定什么时候产生	同步特定指令下产生，比如除零	同步或同步发出指令同步，结果返回可能同步可能异步
响应	持续，对应用程序是透明的	杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令	等待和持续

2.4 操作系统如何实现中断、异常和系统调用？

2.4.1 中断

• 硬件
  外设产生中断标记
  CPU可以得到此中断，产生中断号，将中断号发给操作系统
  操作系统根据中断号查询中断表得到具体中断例程的起始地址，跳转到此执行即可。
• 软件（保存与恢复机制）
  保存当前被打断的执行现场
  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

2.4.2 异常

• 保存现场
• 异常处理（根据不同异常号进行不同处理，比如：杀死产生了异常的程序、重新执行异常执行）
• 恢复现场

2.4.3 系统调用

• 应用程序需要操作系统提供服务，这个接口称为系统调用接口
• 应用系统发出请求，操作系统完成请求后返回成功或失败，应用程序间接控制计算机系统
  e.g 应用程序调用printf()时，会触发系统调用write()，调用包含一些参数（哪个设备显示字符串，以及字符串内容）
  操作系统获取参数后，去访问对应设备，比如屏幕
• 程序访问主要通过高层次API（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 X的所有版本）

Java API用于JAVA虚拟机（如果运行在Windows系统还是使用的Win32 API，如果运行在……）

• 应用程序直接或间接通过Library Code访问系统调用接口，会触发从用户态到内核态的转换，从而使得控制权从应用程序交给操作系统，操作系统可以对系统调用ID号做出标识，来识别具体的系统调用，完成相应的服务。

用户态：应用程序在执行过程中，CPU处于特权级较低的状态，不能直接访问某些特殊的机器指令，不能直接访问IO

内核态：操作系统运行中，CPU所处的一种状态，操作系统可以执行任何指令，包括特殊指令，可以完全控制整个计算机系统

	系统调用	函数调用
是否需切换堆栈	应用程序和操作系统内核拥有各自的堆栈，应用程序发出系统调用之后，切换到内核中执行时，需要切换堆栈	一个栈空间完成参数的传递和返回
开销	切换堆栈与用户态到内核态转换，需要开销大	开销相对小
安全性	保证操作系统安全性

• 中断、异常、系统调用会跨越操作系统与Devices和app交互，跨越操作系统边界的开销远超过程序调用。这些开销包括：

• 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（操作系统与应用程序有各自堆栈）
• 验证参数（操作系统在收到应用程序调用后会检查参数）
• 内核态映射到用户态的地址空间，更新页面映射权限（内存拷贝）
• 内核态独立地址空间TLB