操作系统的启动

  • CPU, I/O, 内存通过总线连接。
  • DISK:   存放OS；
    BIOS：基本I/O处理系统( basic I/O system); Bootloader: 加载OS到内存中。
  • 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.
  • POST(加电自检)，寻找显卡和执行BIOS。(显示器，键盘…是否正常)。
  • 步骤：
  1. BIOS: 将Bootloader从磁盘的磁盘的引导扇区(512字节)加载到0x7c00；跳转到CS:IP=0000:7c00的内存区域(以便下一步)
  2. 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。

bios Debug调试方法 bios调用_操作系统

  • 系统调用：应用程序主动向操作系统发出服务请求
  • 异常：非法指令或者其它坏的处理状态，如：内存出错
  • 中断：来自不同硬件设备的计时器和网络中断。

为什么应用程序需要通过操作系统才能访问硬件

  • 因为计算机运行时，内核才是被信任的第三方，只有内核才能执行特权指令
  • 另一方面，应用程序无法和硬件底层打交道，就可以简化操作

操作系统如何设计和实现中断/异常和系统调用；他们三者的区别和特点。

  1. 产生的源头
  1. 中断： 由外设产生，例如键盘的输入
  2. 异常： 应用程序在运行时，发生的意想不到的行为
  3. 系统调用： 应用程序请求操作系统提供服务
  1. 处理时间
  1. 中断： 异步，就是不知道什么时候会发生
  2. 异常：同步，在运行到某一行程序，一定会发生的
  3. 系统调用： 同步/异步，同步是指应用程序发起请求的行为是可预见的，异步是指操作系统何时完成的时间不可知。
  1. 响应
  1. 中断： 持续的，对于应用程序而言是透明的，也就是感受不到发生了中断
  2. 异常： 会导致该应用程序被杀死，或者重新执行（可能是运行环境的问题，会重试）
  3. 系统调用： 等待和持续

中断/异常和系统调用

  1.  中断和异常处理机制：中断是外设的时间，异常时CPU的事件。二者都会使得CPU被迫访问中断和异常服务。
  1. 中断处理机制
  1. 硬件设置中断标志位、将内部事件/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）
  2. 软件（操作系统）：保存当前的处理状态、中断服务程序处理、清除中断标记、恢复至之前保存的处理状态
  1. 异常处理机制
  1. 保护现场
  2. 异常处理：杀死应用程序或重新执行
  3. 恢复现场

1. 系统调用

  • 一条指令会触发一个系统调用
  • 程序的访问主要是通过高层次的接口，而非直接进行系统调用
  • 通常情况下，存在于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回)。

在跨越操作系统边界带来的开销

  • 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(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。