[OS] 操作系统课程（五）

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