操作系统组成
- CPU
- Memory
- I/O
Disk：存放OS
BIOS：基本I/O系统（检测外设，加载软件）
Bootloader：加载OS
操作系统启动
- 通电之后，从指定地址开始执行
x86开机时，设置 CS：IP = 0xf000:fff0
CS：段寄存器
IP：指令寄存器
- POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS
寻址0xffff0：ROM BIOS映射区
如输入输出设备等
- BIOS加载Bootloader
Bootloader通常在BIOS紧接着512字节地址，把磁盘0磁道0扇区读入0x7c00处
设置CS=0x07c0,IP=0x0000
Bootloader加载OS，把OS复制到内存中
CPU控制权交给OS，从OS的第一个地址开始执行
操作系统与设备和程序交互
系统调用、异常、中断
定义
- 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（内存出错）
- 中断（来源于外设）
- 来自不同的硬件设备计时器和网络的中断
在计算机中，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
源头
- 中断：外设
- 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：异步或同步
响应
- 中断：持续，对应用程序是透明的
- 异常：杀死或者重新执行异常指令
- 系统调用：等待和持续
中断处理
硬件
设置中断标记
- 将内部、外部事件设置中断标记
- 中断时间的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
应用程序透明
异常处理
异常：异常编号
- 保存现场
- 异常处理
- 杀死产生异常的程序
- 重新执行异常命令
- 恢复现场
应用程序透明
系统调用
- 应用程序调用printf()时，会触发系统调用write()，告诉系统需要把数据写到哪里，如屏幕，完毕后操作系统返回结果
- 程序访问主要是通过高层次的API接口而不是直接进行系统调用
- Win32API用于Windows
- POSIX API用于POSIX-based systems，包括UNIX，LINUX，MAC OS X所有版本
- Java API用于JVM（底层调用Win32API或POSIX API）
当应用程序执行系统调用时，会发生一个用户态到内核态的转换，操作系统对系统调用的参数和ID进行识别和完成具体服务
系统调用和函数调用的区别
- 当应用程序发出函数调用，在一个栈中完成参数传递和返回
- 系统调用时，应用程序和操作系统有各自的堆栈，切换特权级时也需要切换堆栈，需要额外的开销，回报是安全可靠
用户态和内核态
用户态
指的是在应用程序执行过程中CPU所处的特权级的状态，用户态特权级较低，不能直接访问某些特殊的机器指令和IO
内核态
操作系统可以执行任何一条指令，包括特权指令、IO指令，完全控制整个计算机系统
总结
系统调用、中断和异常跨越了操作系统和应用程序，操作系统和外设的边界，代价是确保系统安全可靠正常
- 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：保存和恢复
- 验证参数：安全
- 内核态映射到用户态的地址空间、更新页面映射权限：内核态执行完毕后的内存拷贝
- 内核态独立地址空间：TLB
开销是值得的和必须的，保证操作系统安全可靠的环境中执行
许可协议
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