2 启动、中断和系统调用

目录

• 启动
• OS与设备、应用程序的交互
• 中断、异常、系统调用的区别
• 中断、异常、系统调用的过程：
  • 中断
  • 异常
  • 系统调用
  • 跨越系统边界的开销

启动

1. 启动BIOS，从内存特定地址开始执行(CS段寄存器:IP指令指针寄存器 0xf000:fff0)，检测各类外设（开机自检），从特定地址将bootloader加载到内存
2. OS存放在Disk上
3. bootloader一般存放在Disk的第一个主引导扇区（512个字节）。bootloader将OS从硬盘放到内存中去

以x86为例：

1. BIOS将Bootloader从Disk引导扇区（512bytes）加载到内存0x7c00，跳转到CS:IP = 0000:7c00
2. Bootloader将OS代码和数据从Disk加载到内存中，并跳转到到OS的真实地址

OS与设备、应用程序的交互

1. 3个接口（系统调用、异常、中断）：
   • 面向外设：通过中断和IO
   • 面向应用程序：通过系统调用和异常
2. 定义：
   • 系统调用（from app）：应用程序主动向操作系统发出服务请求
   • 异常（from bad app)：非法指令或其他坏的处理状态
   • 中断（from peripherals)：来自不同的硬件设备的计时器和网络中断
3. OS存在的意义：
   • 计算机运行中，kernel是被信任的第三方，只有kernel可以执行特权指令（避免恶意软件获得特权）
   • OS为应用程序提供统一的接口，使应用程序不用关注底层的具体硬件

中断、异常、系统调用的区别

1. 源头：
   • 中断：外设产生(如鼠标点击)
   • 异常：应用程序意外产生
   • 系统调用：应用程序主动向OS请求服务
2. 处理时间：
   • 中断：异步（app执行到任意指令时都有可能发生）
   • 异常：同步（app执行到某一条指令）
   • 系统调用：同步（app执行到某一条指令时发起），但返回消息的时间点可能是异步的（OS完成系统调用任务时，app没有等待OS响应，先切换到其他任务）
3. 响应:
   • 中断: 持续,对用户应用程序是透明的
   • 异常: 杀死进程, 或OS（自动做出调整后）重新执行出现异常处的应用程序指令
   • 系统调用: 等待和持续

中断、异常、系统调用的过程：

中断

1. 硬件：
   • 对内部、外部事件设置中断标记[CPU初始化]
   • CPU将中断事件ID传递给OS，OS根据中断号交相应的例程处理
2. 软件：
   • 保持现场（当前处理状态，如中断位置、寄存器等）
   • 中断服务程序（例程）处理
   • 中断结束，清除中断标记

异常

1. 保持现场（异常位置、寄存器等）
2. 异常处理
   • kill异常程序
   • OS自身调整后，重新执行异常指令
3. 恢复现场

系统调用

1. 程序访问主要通过高层次API接口而非直接进行系统调用
   • Win32（Windows系统）
   • Posix（Unix、linux、macOS）
   • Java的API（不是真的系统调用，而是虚拟机JVM的API）
2. 完成用户态到内核态的转化
   • 用户态权限低，无法执行系统特权指令
   • 内核态权限高，能够执行所有特权指令
3. 系统调用与函数调用区别
   • 函数调用：在一个存储空间、堆栈中完成函数参数传递和返回
   • 系统调用：OS和应用程序有各自的堆栈，数据传递需要额外的开销

跨越系统边界的开销

1. 执行时间上的开销超过一般的函数调用
2. 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
   • OS不信任应用程序，需要验证参数
   • 内核态映射到用户态的地址空间，如更新页面映射权限
   • 内核态独立地址空间 TLB