【清华大学】操作系统 陈渝 Part2 —— 中断、异常和系统调用

2.1 操作系统的启动

启动

计算机启动原理：

DISK: 存放OS(操作系统开始是放在硬盘上的)

BIOS: 基本I/O处理系统(让计算机检查外设，加载相应软件执行程序)，主要加载Bootloader

• Bootloader: 主要加载OS
• 从CS: IP = 0xf000:fff0 特定地址开始执行，完成外设自检工作（POST），寻找显卡(屏幕显示)和执行BIOS把Bootloader从硬盘放在内存中。
  
  Bootloader一般放在硬盘第一个扇区(512字节)，然后Bootloader把更复杂的软件OS从硬盘放进内存，那么，以X86为例，将Bootloader从磁盘的引导扇区加载到中0x7c00这个地址，向上512字节，就是Bootloader的代码和数据。Bootloader被加载到内存中以后，CPU的控制权就由Bootloader来掌握了。
  
  Bootloader接下来找到硬盘中OS起始扇区和长度，然后把这段区域的磁盘块读到内存中，这就是Bootloader要完成的工作。CPU控制权现在交给了OS，现在计算机系统所有的硬件管理交给了操作系统。

操作系统与设备和程序交互

操作系统的interface：

• 外设是通过中断和I/O来处理的
• 应用程序是通过系统调用和异常来提供服务的

为什么应用程序不能直接访问外设，而要通过操作系统呢？
操作系统是一个特殊的软件，它不同于其他软件，它对整个计算机拥有控制权，它能够执行特权指令，是可信任的。而应用程序是不可信任的，有些恶意的应用程序会对整个系统造成破坏，操作系统可以提供一个安全的环境。从安全角度来看，防止整个系统崩溃；从另一个角度看，操作系统可以为上层应用一个统一接口，使得上层应用不用关心底层device细节，如果针对不同device来开发不同软件效率是很低的，所以希望操作系统可以屏蔽底层的复杂性与差异性，从而为上层提供一个非常简洁的接口，使得应用程序更加通用和可移植，所以应用程序不能直接访问外设。
总结一下就是：

• 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

系统调用

定义
来源于应用程序

• 应用程序主动向操作系统发出服务请求，希望操作系统给予支持，即sysytem_call，理解为应用程序向操作系统发出一条指令，让操作系统来完成相应的功能。
  系统调用事件是应用程序主动发出的，比如打开文件，关闭文件，读写文件，发送网络包，系统调用都是由操作系统具体完成的，应用程序只需要按照定义好系统调用的接口，把接口的参数设置好，具体的实现由操作系统完成，应用程序得到返回结果以后继续做想做的。

处理时间
异步或同步：发出请求的点是同步的，返回的点可以是同步也可以是异步。

响应
等待服务完成和持续。

异常

定义
来源于不良的应用程序，应用程序在执行过程中出现了意想不到的情况，不得不让操作系统来完成相应的功能。

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• 非法指令或者其他坏的处理状态(如：内存出错)
  异常并不是应用程序主动想产生的事件，操作系统需要发现并且处理。

处理时间
同步事件：执行到特定某条指令后，一定会产生异常
响应
杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令。

中断

定义
来源于外设，外设通过中断机制来让操作系统来处理，注意中断由外设产生而非CPU。
-来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断
外设：鼠标，键盘，网卡，声卡，显卡，外设可以产生各种各样的事件，产生中断。

处理时间
异步事件：当事件产生的时候，应用程序并不知道什么时间产生。

响应
中断打断了当前应用程序的正常执行，但是应用程序并没有感觉到被打断，因为操作系统悄悄完成了整个过程，并没有去打扰应用程序。所以应用程序在过程中没有感受到中断，是连续的，中断对应用程序是透明的。

2.2 操作系统的中断，异常和系统调用

中断和异常处理机制

由硬件和软件共同完成。

硬件

设计中断标记

1. 将内部、外部事件设置中断标记 【CPU初始化】(不同外设有不同的中断标号)
2. 中断事件的ID (指程序访问的中断向量地址)

软件

1. 保存当前处理状态
2. 根据中断标号，中断服务程序处理
3. 清除中断标记
4. 恢复之前保存的处理状态（中断）

• 异常：异常标号

1. 保存现场
2. 异常处理

• 杀死产生了异常的程序
• 重新执行异常指令

3. 恢复现场

系统调用

系统调用来源于应用程序请求服务，这个服务由操作系统来执行。这个过程需要一个接口即系统调用接口。

• 为了方便应用程序使用系统调用接口，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，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

应用程序产生系统调用，操作系统从用户态转到内核态，从而控制权由应用程序交给操作系统。
应用程序产生系统调用和传统函数调用是不同的。当应用程序发生函数调用时是在一个栈空间内发生参数传递，结果返回。而在系统调用中，应用程序和操作系统内核拥有各自的堆栈，也就是说，从用户态转到内核态的同时，还要切换堆栈。这个过程都会产生开销。

小结

中断，异常，系统调用跨越了操作系统，应用程序和外设device的边界。跨越这个边界是为了系统安全可靠的运行，但是是有开销的

• 在执行时间上的开销超过程序调用
• 开销：
  1. 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
  2. 建立内核堆栈，维护堆栈开销
  3. 验证参数（操作系统不信用应用程序，安全检查时间开销）
  4. 内核态映射到用户态的地址空间（拷贝开销）
  5. 内核态独立地址空间