OS总结（一）：操作系统基础
1、操作系统的启动
（1）CPU、I/O、内存通过总线连接
（2）DISK：存放OS
（3）BIOS：基本I/O处理系统（basic I/O system）
（4）Bootloader：加载OS到内存中
（6）POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS，确定其他外设是否正常
（7）步骤：
- BIOS：将Bootloader从磁盘的引导扇区（512字节）加载到0x7c00；跳转到 CS : IP = 0000 : 7c00 的内存区域（以便下一步）
- Bootloader：将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中；跳转到操作系统的起始地址
（8）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
（9）异常：（来源于不良的应用程序）非法指令或其它花的处理状态（e.g.内存出错）
（10）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
（11）为什么应用程序不能直接访问硬件而是通过操作系统：
- 计算机运行时，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
（12）三种状态的产生源头
- 中断：外设（鼠标、键盘、网卡、显卡等，可以产生各种事件）
- 异常：应用程序意想不到的行为（e.g.异常，恶意程序，应用程序需要的资源为被满足）
- 系统调用：应用程序请求操作系统提供服务（打开文件、读写文件、发送网络包等）
（13）三种状态的处理时间
- 中断：异步
- 异常：同步
- 系统调用：同步或者异步
（14）操作系统对三种状态的响应
- 中断：持续，对用户应用程序是透明的
- 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令
- 系统调用：等待和持续
2、中断、异常和系统调用
（1）中断和异常的处理机制：中断是外设的事件，异常是CPU的事件；中断和异常迫使CPU访问一些被中断和异常服务访问的功能
（2）中断处理机制
硬件：设置中断标记（CPU初始化）
- 将内部/外部事件设置中断标记
- 中断事件的ID（程序访问的中断向量地址 ）
软件（操作系统）：
- 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
（3）异常处理机制
异常：异常编号
- 保存现场
- 异常处理：杀死产生异常的程序；重新执行异常指令
- 恢复现场
（4）系统调用
- 一条指令会触发一个系统调用。
- 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。
- 通常情况下，存在与每个系统调用相关的序号，系统调用接口根据这些序号来维护表的索引。
- 系统调用接口调用内核态中预期的系统调用，并返回系统调用的状态和其它任何返回值。
- 用户不需要知道系统调用是如何实现的，只需要获取API和了解操作新系统将什么作为返回结果。操作系统接口的细节大部分都隐藏在API中，并通过运行程序支持的库来管理。
- 用户态：应用程序在执行的过程中，CPU执行的特权级的状态（很低，不能访问特殊机器指令和IO）。
- 内核态：应用程序在执行的过程中，CPU执行的特权级的状态（高，操作系统可以执行CPU任何一条指令）。
- 系统调用时涉及到特权级从用户态到内核态的转换，应用程序和操作系统有各自的堆栈，这两个变化比函数调用的开销更大，但更安全和可靠。(而程序调用是在一个栈空间实现参数的调用和返）。
（5）跨越操作系统边界的开销：在执行时间上超过程序调用
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（操作系统和应用程序的堆栈不一样）；
- 验证参数（操作系统会检查数据）；
- 内核态映射到用户态的地址空间，更新页面映射权限（内存拷贝开销）；
- 内核态独立地址空间TLB。
