操作系统—启动 & 中断、异常 和 系统调用
启动
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DISK：存放OS
➢ 在DISK上，还存在Bootloader，用于加载OS，将OS从硬盘加载到内存中
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BIOS：基于I/O处理系统
计算机启动流程
启动时计算机内存和磁盘布局
从一个特定地址开始执行：CS:IP = 0xf000:fff0 分别代表这两个寄存器的值（CS：段寄存器；IP：指令寄存器) ，这两个寄存器合在一起可以形成一个具体的内存地址。
一开始加电，BIOS就从这个内存地址开始执行，POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS。
一些基本的操作都要由BIOS来进行初始化的检查。
检查完发现这些显卡以及外设都是可以正常工作的，接下来就需要把bootloader从硬盘放到内存中。
加载程序（bootloader）
加载程序的内存地址空间
Bootloader放在硬盘的第一个主引导扇区（512字节）。BIOS从硬盘的第一个扇区寻找，一下便找到Bootloader，Bootloader再负责加载OS。
之后，由Bootloader将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中。之后，控制权交给到OS（跳转到OS的起始地址）。
操作系统与设备和程序交互
定义
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中断（hardware interrupt） 来源于外设
➢ 来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断
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异常（exception） 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）
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系统调用（system call） 来源于应用程序
➢ 应用程序主动向操作系统发出服务请求
为什么应用程序不能直接访问我们的外设，而要通过操作系统呢？
- 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
中断、异常和系统调用比较
异步：应用程序不知道什么时候会发生
同步：执行到某一条指令一定会发生
中断和异常处理机制
- 中断是外设的事件
- 异常是内部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。
中断流程
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（指程序访问的中断向量地址 => 找到对应的处理历程）
软件
- 保存当前处理状态（寄存器的内容等），便于后续恢复时 能正常使程序从被中断的点继续往下执行
- 中断服务程序处理
- 清楚中断标记
- 恢复之前保存的处理状态
因此，应用程序完全不用感知到中断的产生。
异常处理流程
得到异常编号
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保存现场
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异常处理
➢ 杀死了产生异常的程序
➢ 重新执行异常指令
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恢复现场
系统调用
操作系统服务的编程接口
系统调用来源于应用程序 需要操作系统提供服务，这些服务需要操作系统来执行，这个过程就需要一个接口：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
标准C库的例子
三种最常用的应用程序编程接口（API）：
- 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 跨平台）
实现
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通常情况下，每个系统调用对应一个系统调用号
- 系统调用接口根据这些序号来维护表的索引
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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
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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都隐藏在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集）
函数调用和系统调用的不同处
用户态：操作系统运行中，级别特别低，不能访问特权指令
内核态：操作系统运行中，级别很高，可以执行任何一条指令，包括特权指令
系统调用：触发CPU从用户态到内核态的特权级转换，切换程序和内核的堆栈，需要一定的开销
函数调用只是在一个栈空间完成参数的传递以及返回。
当执行系统调用时，它带来的开销会比函数调用要大很多，当然这个开销是有回报的（安全、可靠，且是必须要付出的代价）。
跨越操作系统边界的开销
这些代价 确保整个系统 安全、可靠，正常运行
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在执行时间上的开销超过程序调用
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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（建表）
➢ 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）
➢ 内核态独立地址空间（TLB）
系统调用示例
系统调用库接口示例
整理自 【清华大学】 操作系统