目录

  • OS操作系统系列文章目录
  • 第二章：启动、中断、异常和系统调用
  • 计算机的启动过程
  • 中断、异常、系统调用
  • 中断（异步）
  • 异常（同步）
  • 系统调用（异步或同步）
  • 区别


第二章：启动、中断、异常和系统调用

 

计算机的启动过程

 

  • CPU、I/O、内存 通过总线连接；
     
  • Disk（硬盘）：存放OS和Bootloader；
     
  • BIOS（基于I/O处理系统）：开机自检外设，并加载相应的软件进行执行；
     
  • Bootloader：加载OS，将OS从硬盘放入到内存中；
  • 位于磁盘的第一个引导扇区；
  • 会将OS的代码和数据加载到内存中；
  • OS加载完成后，会跳转到OS的起始地址，并将控制权交给OS；

 

  • 开机流程：
  • 电脑通电，CPU通过CS:IP = 0xf000:fff0的内存地址（由硬件设定），执行第一条指令，即启动BOIS；
    其中CS是段寄存器，IP是指令寄存器；
  • BIOS首先会进行POST（加电自检），检测各I/O口和外设；
  • BIOS将Bootloader从磁盘的引导扇区（512字节）加载到内存0x7c00中；
  • 跳转到CS:IP = 0000:7c00的内存区域；
  • Bootloader会将OS的代码和数据从磁盘加载到内存中；
  • 跳转到OS的内存位置，至此OS开始执行；
     

中断、异常、系统调用

 

中断（异步）

 

  • 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；

 

  • 中断处理流程：
  • 先进行硬件部分：
  • 将内部、外部事件设置中断标记；
  • 中断事件的ID识别；
  • 后进行软件部分：
  • 保存当前的处理状态（寄存器之类的一些数据）；
  • 根据中断事件的ID跳转到中断服务程序，中断程序进行处理；
  • 清除中断标记，并恢复之前保存的处理状态；

 

异常（同步）

 

  • 异常来源于不良的应用程序，非法指令或其它坏的处理状态（如：内存出错）；

 

  • 异常处理流程：
  • 保存现场；
  • 异常处理：
  • 杀死产生异常的程序；
  • 重新执行异常程序；
  • 恢复现场；

 

系统调用（异步或同步）

 

  • 系统调用来源于应用程序，应用程序主动向OS发出服务请求；
    程序访问主要是通过高层次的API，而不是直接调用系统；

 

  • API分类
  • Win32 API用于Windows；
  • POSIX API用于POSIX-based systems（包括UNIX、LINUX、Mac OS X）；
  • Java API用于JAVA虚拟机（JVM）；

 

  • 特点：
  • 一般情况，系统调用都有对应的序号；
    而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 ，会去 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OS会返回什么结果；
    OS接口的细节大部分都会隐藏在API中；

 

  • 用户态：OS运行中，CPU执行的特权级的状态，特权很低，不能访问特殊机器指令和IO，且不能直接执行特权指令；
  • 内核态：OS运行中，CPU执行的特权级的状态，特权很高，可以执行CPU任何一条指令；

 

  • 系统调用进行时，涉及到特权级从用户态转到内核态的过程，且应用程序和OS拥有各自的堆栈空间；
    这两个变化比函数调用的开销更大，但也更安全和可靠；
    （程序调用是在一个栈空间实现参数的调用和返回）

 

  • 跨越OS边界的开销
  • 在执行时间上的开销超过程序调用的；
  • 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；
  • 验证参数；
  • 内核态映射到用户态的地址空间（更新页面映射权限）；
  • 内核态独立的地址空间（TLB）；

 

区别

类型

源头

处理时间

响应

中断

外设

异步

持续，对应用程序透明

异常

应用程序意想不到的行为

同步

杀死或重新执行指令

系统调用

应用程序请求系统提供服务

同步或异步

等待或持续

中断的异步：应用程序不知道什么时候会发生中断

异常的同步：执行到某一条指令一定会发生该异常

 

  • 应用程序不能直接访问硬件
  • 在计算机运行时，内核是被信任的第三方；
  • 只有内核可以执行特权指令；
  • 为了方便应用程序的设计；