第二章计算机操作系统（操作系统第二章）

> 清华大学 陈渝老师 操作系统教程

• 计算机最基本的三部分
• CPU，内存，I/O
• 启动
• DISK：存放OS
• BIOS：基本I/O处理系统
• Bootloader：加载OS
• 一般在硬盘的第一个扇区
• POST（加电自检）：寻找显卡和执行BIOS
• 操作系统与设备和程序的交互
• 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
• 异常
• （来源于不良的应用程序）非法指令或者其他坏的处理状态（如：内存出错）
• 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
• 为什么应用程序不能直接访问外设而是通过操作系统进行访问
• 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
• 操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用，他们三者有什么区别和特点
• 从 源头 角度
• 中断：外设
• 异常：应用程序意想不到的行为
• 系统调用：应用程序请求操作提供服务
• 从 处理时间 角度
• 中断：异步
• （异步：当事件产生时，应用程序不知道它何时产生）
• 异常：同步
• 系统调用：异步或同步
• 从 响应 角度
• 中断：持续，对用户应用程序时透明的
• 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

• 中断和异常处理机制
• 中断时外设的事件
• 异常内部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
• 中断的处理机制
• 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
• 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
• 异常的处理机制（异常：异常编号）
• 保存现场
• 异常处理
• 杀死产生了异常的程序
• 重新执行异常指令
• 恢复现场
• 系统调用
• 定义
• 应用程序需要操作系统的一些服务，这些服务并不能由应用程序直接执行，而是需要由操作系统执行，这个过程需要一个接口，这个接口就是系统调用接口。
• eg.应用程序调用print()，会触发系统调用write()
• 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
• eg
• Win32 API 用于 Windows
• POSIX API 用于 POSIX-based systems（包括UNIX，LINUX，Mac OS X的所有版本）
• Java API 用于 Java虚拟机（JVM）
• 实现
• 通常情况下，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他任何返回值
• 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隐藏在API中
• 通过运行程序支持的库来管理（用包含编译器的库来创建函数）
• 应用程序直接或者间接地library（库）来访问我们的系统接口
• 触发一个从用户态到内核态的转换
• 用户态：应用程序在执行的过程中，CPU所处于的一个特权级的状态（特权级比较低，不能直接访问某些特殊的机器指令和I/O）
• 内核态：操作系统在运行中，CPU所处于的一种状态（特权级高，操作系统可以执行任何一条指令）
• 系统调用和函数调用的区别
• 当应用程序发出函数调用时，在一个栈空间完成参数的传递和参数的返回
• 在系统调用执行过程中，应用程序、内核、操作系统拥有各自的堆栈
• 当应用程序发出系统调用，切换到内核时，同时需要切换堆栈和特权级转换（用户态→内核态）
• 运行开销更大，但更安全、可靠
• 跨越操作系统边界（中断、异常、系统调用）的开销
• 在执行时间上的开销超过程序调用
• 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
• 验证参数
• 操作系统不信任应用程序，受到应用程序发出的调用之后，会对参数进行检查
• 内核态映射到用户态的地址空间更新页面映射权限
• 内核态独立地址空间