操作系统学习笔记(二)

矫情吗；* 2022-03-26 01:06 609阅读 0赞

本文涉及到两方面的内容，一是操作系统的启动，二是操作系统的中断、异常和系统调用。关于启动，需要知道操作系统是怎么从计算机加电后，启动到正常运行，然后最终能让应用程序正常开始它们各自的工作；关于中断、异常和系统调用，要了解操作系统是如何提供相应的接口来给应用程序提供服务，以及如何控制控制外设、与外设进行交互。

### **操作系统的启动过程** ###

首先，我们要知道的是操作系统的代码是存储在硬盘中的，硬盘中除了OS代码外，还有一个叫做bootloader的代码段。

先看一张图：

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上图中的BIOS是Basic Input Output System 的缩写，即基本输入输出系统。它是计算机ROM中的一段程序代码，计算机在开机时首先就要运行BIOS程序。BIOS从CS地址与IP地址组成的内存地址开始运行(以x86CPU为例)，先是进行POST(加电自检)操作，即检查各种硬件设备是否正常工作。当检查完毕后，BIOS会将bootloader从磁盘的引导扇区加载到内存地址从0x7c00开始的512个字节中，此时CPU的控制权变成了由bootloader掌握，bootloader接下来会把OS的代码从硬盘读到内存中，而此时CPU的控制权则变成了由OS掌握，也就是说接下来要执行的是OS在内存中的起始地址中的指令。然后OS就可以在内存中进行必要的工作，如从前期的初始化工作，到后期创建各种应用程序，并让它们运行。至此，整个计算机系统的硬件都已经处于OS的管理之下。

下图简要说明了bootloader启动OS的过程：

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### 操作系统的中断、异常和系统调用简介 ###

**首先思考一个问题，操作系统如何与外设和程序交互？**

答案就是利用操作系统的三个interface(我理解为特殊的接口或者说机制)，即中断、异常和系统调用。操作系统利用中断(包括I/O)完成与外设的交互，利用系统调用和异常完成与应用程序的交互。系统调用、异常和中断三者的定义如下：

1）系统调用(来源于应用程序)：它是应用程序主动向操作系统发出的服务请求，目的是让操作系统提供相应的功能支持；

2）异常(来源于不良的应用程序)：它是一种非法指令或其他坏的处理状态(如内存出错)；

3）中断(来源于外设)：它是指来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断。

下面的一幅图简要说明了系统调用、异常和中断这三者在操作系统中的实现和处理过程：

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自然而然，我们会想到为什么应用程序不直接访问外设，而是要通过OS间接访问外设？

基于如下两点原因：

**    **1）安全角度：OS比应用程序更加值得信任；

2）应用接口角度：利用OS可以屏蔽底层器件的复杂性和差异性，从而给上层应用提供更加简洁的接口，使得应用程序可以写的更加通用，可移植性更强。

最后对中断、异常和系统调用这三者进行一个简单的比较：

1）源头：中断来源于外设；异常来源于应用程序；系统调同样用来源于应用程序。

2）响应方式：中断是异步响应；异常是同步响应；系统调用是异步或同步响应。

3）处理机制：中断是持续的，对用户应用程序来说是透明的；异常是杀死或重新执行意想不到的应用程序指令；系统调用是等待和持续。

参考：

[http://open.163.com/movie/2018/12/6/0/ME1NSA351\_ME1NSM960.html][http_open.163.com_movie_2018_12_6_0_ME1NSA351_ME1NSM960.html]

[http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:TsinghuaX+30240243X+sp/about][http_www.xuetangx.com_courses_course-v1_TsinghuaX_30240243X_sp_about]

[https://blog.csdn.net/jonathan321/article/details/51987680][https_blog.csdn.net_jonathan321_article_details_51987680]

[http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_02_booting.html]

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[http_www.xuetangx.com_courses_course-v1_TsinghuaX_30240243X_sp_about]: http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:TsinghuaX+30240243X+sp/about
[https_blog.csdn.net_jonathan321_article_details_51987680]: https://blog.csdn.net/jonathan321/article/details/51987680
[http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_02_booting.html]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/02/booting.html