系统启动

  • 启动过程

    • CPU加电稳定后从0XFFFF0读取第一条指令
  • BIOS
    • 固化到计算机主板上的程序
    • 包括系统设置、自检程序和系统自启动程序
    • 系统加电后读BIOS
    • 加电自检POST,内存、显卡等关键部件是否在工作
    • 更新CMOS中的扩展系统配置数据ESCD
    • 按指定启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动
    • 主引导记录BIOS-MBR
    • 全局唯一标识分区表BIOS-GPT(多分区启动)
    • 将加载程序从从磁盘的引导扇区加载到内存
  • UEFI
    • 在所有平台上一致的操作系统启动服务
  • 加载程序
    • 依据配置加载操作系统内核
    • 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

中断、异常和系统调用

  • 为什么需要

    • 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使用
    • 与外设交互
    • 处理应用程序意想不到的行为
    • 为应用程序提供系统服务
  • 内核的进入与退出
    • 中断、异常、系统调用
    • 应用程序调用函数库,通过系统调用接口进入内核

  • 系统调用(system call)

    • 源头:应用程序主动向操作系统发出的服务请求
    • 响应方式:异步或同步
    • 处理机制:等待和持续
  • 异常(exception)
    • 源头:非法指令或其他原因导致当前指令执行失败(如内存出错)后的处理请求
    • 响应方式:同步
    • 处理机制:杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
  • 中断(hardware interrup)
    • 源头:来自硬件设备的处理请求
    • 响应方式:异步
    • 处理机制:持续,对用户应用程序是透明的
  • 中断处理机制
    • 硬件

      • CPU初始化时设置中断使能标志
      • 依据内部或外部时间设置中断标志
      • 依据中断向量调用相应中断服务例程
    • 软件
      • 现场保存(编译器)
      • 中断服务处理(服务例程)
        • 中断向量表接收
        • 中断->设备驱动
        • 异常->异常服务例程
        • 系统调用->系统调用表
      • 清除中断标记(服务例程)
      • 现场恢复(编译器)
  • 中断嵌套
    • 硬件中断服务例程可被打断

      • 中断源不同的,根据优先级高低处理
      • 可在一段时间里禁止其他中断请求
      • 中断请求会保持到CPU做出响应
    • 异常服务例程可被打断
      • 异常执行时可能出现硬件中断
    • 异常服务例程可嵌套
      • 异常服务例程可能出现缺页
  • 系统调用
    • 应用程序调用printf()时,会触发到系统调用write()
    • 操作系统服务的编程接口
    • 通常由高级语言编写(C或C++)
    • 程序通过标准库API接口而不是直接进行系统调用
    • 三种最常用应用程序编程接口(API)
      • Win32 API 用于Windows
      • POSIX API 用于UNIX、Linux、MAC OS X
      • Java API 用于JAVA虚拟机(JVM)

    • 系统调用实现

      • 每个系统调用对应一个系统调用号,系统调用接口根据系统调用号来维持表的素索引
      • 系统调用接口调用内核态中的系统调用功能实现,并返回系统调用的状态和结果
      • 用户不需要知道系统调用的实现,需要设置调用参数和获取返回结果   
    • 系统调用和函数调用的不同
      • 系统调用使用INT和IRET,执行时有堆栈切换和特权级的转换
      • CALL和RET用于常规调用,执行时没有堆栈切换
      • Intel 64 and IA-32 指令集
    • 中断、异常和系统调用的开销
      • 开销超过函数调用

        • 引导机制
        • 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 
    • 文件复制过程中的系统调用序列
      • ucore中库函数read()的功能是读文件
      • read()的参数和返回值
        • int fd -- 文件句柄
        • void * buf -- 数据缓冲区指针
        • int length -- 数据缓冲区长度
        • int return_value -- 返回读出数据长度 

 

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