启动

• 计算机体系结构
• 计算机内存和硬盘布局概述
• 开机顺序
  开机之后操作系统启动，操作系统最开始存放的位置在硬盘（DISK：存放OS），
  再由BIOS（基本I/O处理系统）提供支持，开机后检测各种外设，而后加载相应的软件进行执行。BIOS会在内存中预先申领一个存储地址，这个地址就是“CS:IP”（CS：段寄存器，IP：指令寄存器），BIOS就从这个地址开始进行一系列的工作。首先是POST（加电自检，寻找显卡和执行BIOS），检查自身一系列设备是否能正常工作，比如，显示器、键盘鼠标、数据存储到地址等。Bootloader（512个字节）和OS都存放在硬盘，前者存放于硬盘第一个主引导扇区以便于BIOS寻找，然后BIOS再将Bootloader存放到内存中去，此时CPU控制权就由Bootloader掌握。
  Bootloader（功能）将OS的数据从硬盘读到内存中去，再将CPU控制权交给OS，使OS在内存中进行各种各样的工作，从前期的初始化工作到后期的创建各种各样程序进行运行，此时整个计算机系统硬件的管理都交由OS。
• 操作系统与设备和程序交互（在完成启动正常工作之后）
  首先请出一个概念：hdb interface驱动是一个驱动程序。驱动程序全称为设备驱动程序，是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序，相当于硬件的接口，OS操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作。驱动程序是一个允许高级电脑软件与硬件交互的程序，这种程序创建了一个硬件与硬件，或硬件与软件沟通的接口，经由主板上的总线或其它沟通子系统与硬件形成连接的机制，这样的机制使得硬件设备上的数据交换成为可能。
  interface（“接口”）面向外设，通过中断、IO来进行处理
  interface面向应用程序，通过系统调用、异常来提供相应功能

中断、异常和系统调用

背景知识

系统调用（system call，来源于应用程序）
是程序主动向操作系统发出服务请求（指令），希望得到服务系统的服务支持（完成特殊功能）
异常（exception，来源于不良应用程序）
是应用程序在执行过程中出现的意想不到的事情，使得操作系统不得不完成相应的功能
中断（interrupt，来源于外设）
当外设有些特殊的指令，需要操作系统完成特定的支持，通过中断机制使操作系统可以感知并进行处理的过程
为什么应用程序不直接去访问外设？

• 内核是被信任的第三方 只有内核可以执行特权指令
• 操作系统是款特殊的软件，对计算机有着控制权能够执行特殊指令
• 恶意软件的直接访问会造成计算机系统的崩溃
• 为了方便应用程序操作系统屏蔽底层设备的复杂性，为应用提供更简单、一致的接口，是的应用程序更加的通用和可移植

中断、异常和系统调用相比较，他们三者有什么区别和特点？

• 源头

  • 中断：来源于外设（键盘鼠标网卡声卡显卡）
  • 异常：应用程序在执行过程中意想不到的行为（除0，恶意的程序要越过权限被操作系统截获，为程序提供运行所需的部分条件）
  • 系统调用：应用系统请求操作提供服务，有着明确的指令和参数（打开关闭读写文件，发送网络包，具体事项由操作系统完成）

• 处理时间

  • 中断：异步（事件产生时程序不知道什时候会产生）
  • 异常：同步（一定是执行到某一条特定的指令时而产生）
  • 系统调用：异步或同步（发起点是同步，发出请求而后等待系统会亏结果，这样称之为同步；但发出请求后，程序并未亲自等待而是去执行别的事情，系统完成后会通知程序已完成，这就叫做异步）

• 响应

  • 中断：打断应用程序的正常执行，但操作系统把该过程在后台执行了，是透明完成的，程序察觉不到
  • 异常：操作系统会将产生异常的应用程序程序杀死，或重新执行
  • 系统调用：等待和持续。操作系统等到请求，执行请求，而后继续执行下一个任务，不会重复执行

操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用？

设计
中断和异常处理机制（都是软件处理和硬件处理连在一起完成的）

• 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（中断号，操作系统根据中断号找到处理例程）
• 软件（操作系统）
  • 包当前处理状态（保存被打断的执行现场，执行进度与寄存器内容，便于后来恢复时能够使程序从被打断点继续执行）
  • 中断服务程序处理（根据CPU提供的中断号，到相对应的处理历程执行外设发出的上文提到过的等等具体指令）
  • 清除中断标记
  • 恢复之前保存的处理状态（在程序不知情的情况下继续执行，这里的“不知情”理解为该程序没有向下执行）

异常（异常编号，CPU得到异常编号）

• 保存现场（地址与存器内容）
• 异常处理 杀死产生了异常的程序（操作系统在处理过程中决定让这个应用程序推出执行） 重新执行异常指令（操作系统认为是自身服务不到位）
• 恢复现场
• 系统调用（需要操作系统提供一些服务，但不能由操作系统直接执行，需要通过接口，操作系统再去提供服务）
  eg： 应用程序需要调用printf（）时，会触发系统调用write（），write（）会携带几个参数，比如输出的内容、由那个设备输出，操作系统获取参数后开始调用对应设备。这个过程有操作系统来完成，所以说应用程序只是来发出指令。通过操作系统和操作系统提供的接口，间接控制、管理计算机系统。
  为了便于程序能够使用操作系统的接口，有很多定义好的API
  • Win32 API（系统调用接口）用于Windows
  • POSIX APIyongyu-POSIX-based systems
  • JAVA API用于JAVA虚拟机(JVM)（这个API不是系统调用API，不过最后还是会通过操作系统的接口）
    系统调用的概念
    应用程序（APP）直接或通过Library Code来间接访问系统调用接口（System Interface），一旦访问之后会触发操作系统从用户态到内核态的转换（用户态是OS特权级的状态，这个特权级级别特别的低，不能够直接访问机器指令和IO系统；内核态，是OS在CPU中所处的特权态，这个状态下可以执行各种指令和访问IO系统），使得控制权从应用程序转换到操作系统上，操作系统向应用程序发出系统调用的参数，对系统调用的ID号进行标识，对系统调用完成具体的识别进而完成更多的指令。
    在这样的一个实现过程中，系统调用与函数调用有着一些很大的区别。应用程序进行系统调用切到内核时需要去切换堆栈，并且完成特权级的转换。这个过程需要一定的、并且大于函数调用的开销，回报就是安全可靠。

跨越系统操作边界的开销

程序调用与系统调用的不同之处

这个过程需要一定的并且大于函数调用的开销，回报就是安全可靠。

开销

• 在执行时间上的开销超过程序调用
• 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（各事件有相之对应的调用号，且调用号与之相对应的工作历程，需要提前列表）
• 建立内核堆栈（操作系统与应用程序各有自己的堆栈，且两者不能混和，要有维护堆栈的开销，操作系统退出时把堆栈保存，执行时把堆栈恢复，应用程序也是）
• 验证参数（操作系统对应用提供的数据进行检查）
• 内核态映射到用户态的地址空间更新页面映射权限（内核态转换到用户态时，可能需要带走一部分数据，那么这个数据就要同过拷贝的方式）
• 内核独立地址空间TLB

标签：调用,操作系统,记录,中断,系统,应用程序,执行
来源： https://www.cnblogs.com/hezhipeng/p/16672376.html