一、操作系统的启动

1. 操作系统的启动模块

disk：存放OS
BIOS：基本 I/O 处理系统
bootloaderr：加载OS
POST（加电自检）寻找显卡和执行 BIOS

  • 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。

  • 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。

2. 系统调用、异常和中断的定义

  • 系统调用（来源于应用程序）

应用系统主动向操作系统发出服务请求。

  • 异常（来源于不良的应用系统）

非法指令或其他坏的处理状态。

  • 中断

来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断。

3. 为什么应用程序不能直接访问外设

  • 在计算机运行中，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。

4. 系统调用、异常和中断的区别

来源

  • 系统调用：应用程序请求操作提供服务
  • 异常：应用程序意想不到的行为
  • 中断：外设

处理时间

  • 系统调用：异步或同步（发出请求的点是同步的，返回的点有可能是异步的）
  • 异常：同步
  • 中断：异步

同步 ：等到回应后才继续下一步。
异步 ：直接下一步，不用等待回应。

响应

  • 系统调用：等待和持续
  • 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令
  • 中断：持续，对用户应用程序是透明的

二、中断、异常和系统调用

1. 中断和异常处理机制

中断处理机制

  • 硬件

设置中断标记[CPU 初始化]，将内部、外部时间设置中断标记，中断事件的 ID。

  • 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。

异常处理机制

  • 异常编号
  • 保护现场
  • 异常处理：杀死产生异常的程序或重新执行异常指令
  • 恢复现场

2. 系统调用处理机制

  • 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。
  • 应用程序调用一个系统调用时，会完成从用户态到内核态的转换，从而使得控制权从应用程序交到了操作系统。
  • 函数调用和系统调用的区别：函数调用是和应用程序在同一个堆栈中完成参数的传递；而系统调用存在堆栈空间和控制权的转换。

3. 跨越操作系统边界的开销

  • 建立中断/异常/系统调用号与对应服务
  • 建立内核堆栈
  • 验证参数
  • 内核态映射到用户态的地址空间
  • 内核独立地址空间（TLB）