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

（5）当电脑通电时，段寄存器CS和指令寄存器IP能够确定一个内存地址，例如：CS : IP = 0xf000 : fff0

（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。