【操作系统】第二章：OS的启动和中断、异常、系统调用

本章学习目标

计算机体系结构

计算机启动，按下电源。这个过程从原理来看，电源启动后，操作系统是从硬盘上存储，然后点到CPU工作的。
BIOS:基本I/O处理系统，计算机开机后检测各种外设。检测外设之后才能去加载相应的软件进行执行。
DISK(硬盘）：除去存储数据的功能，也拥有存放OS的功能。
Bootloader:启动时，加载OS。把OS从硬盘放到内存中，令CPU可以执行OS

在整个计算机内存里，一部分空间BIOS已经预先占用了。BIOS要做的第一步就是从某一个特定的地址开始执行，如果这个地址以x86为例，他的值是固定的（0xf000:fff0）。
两个寄存器合在一起，形成一个具体的内存地址（固定的）。一开始加电，从该地址开始执行，包括自检（检测自身设备是否可以正常工作）
POST（加电自检）：寻找显卡和和执行BIOS（初始化检查，包括外设；把BootLoader从disk放到memory）。启动电源时，显示器会亮起，然后随着内部元件的工作，显示请开始显示不同的图形界面，所以加电过程中显卡是一定在工作的。除此之外，BIOS也会初始化检测对系统进行操作的外设（如键鼠等事件），以及数据存储（Disk硬盘等）。
BootLoader一般放在硬盘的第一个主引导扇区（一般512byte）。易于BIOS寻找。BIOS将BootLoader加载到内存中（BootLoader掌握CPU控制权），然后BootLoader 再加载OS到内存中，然后CPU控制权交给OS（跳到OS的起始地址，然后开始执行工作【前期的初始化工作、创建应用程序】）

OS与设备和程序的交互

操作系统的接口（interface）：系统调用（system call）、异常(exception)、中断(interrupt)
外设：中断 IO 应用程序：系统调用、异常
·系统调用：APP（来源）主动向OS发出服务请求
·异常：由APP产生（来源），非法指令或者其他错的处理状态（内存出错）
·中断：来源于外设。来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断
Q)为什么应用程序不能直接访问外设？
A)在计算机中内核是被信任的第三方，只有内核可以执行特权指令(安全角度：app恶意访问会破坏系统)；同时操作系统方便了应用程序. 给上层应用提供一个简单的接口，令上层应用不需要针对下层不同device（设备）设置不同程序，让程序写得更加通用、可移植。
应用程序是不可信任的，可能会有恶意程序对整个系统进行破坏。

中断、异常、系统调用的区别

1.源头

中断：外设
键鼠的操作，产生字符事件、移动事件等
异常：app的意外
APP并不想主动产生，是意外发生。
Ex)除0操作，这是计算机系统会无法正常工作的指令个，这种情况下要求OS发现并及时处理。
Ex)恶意程序要越过权限去访问一个受保护的地址空间，这种情况下OS要及时截获
Ex)APP执行时，资源不足以满足需求，这时操作系统悄悄在后端分配资源，解决问题
总之，异常就是让OS能够应对和解决各种事件。
系统调用：应用程序请求OS提供服务。是APP主动提出的，有明确的指令和相应的参数。比如打开/关闭文，~读写文件、发送网络包等都是系统调用，这都是由OS来完成的，应用程序只需要设置好对应的接口和参数，即具体实现由OS完成。

2.处理时间

中断：一般是异步事件。

异步就是当事件发生时，APP并不知道这个事件什么时候发生的。异步不可预测
异常：同步，同步就是触发问题的时间点是固定的，比如a/0这个除零操作必然会发生异常。发生异常一定是指定某条特定指令时一定发生。

系统调用：同步或异步。系统调用发出指令后，读取指令的过程是同步的。每一条指令对应一种正常或异常的状态。但是返回数据的这个过程是可以异步的

系统调用后返回的时间：读数据操作
当程序发出请求后，OS就需要读取数据，数据读完之后，OS再将数据返回给系统调用并将之传给应用程序。这个过程中，应用程序一直属于等待状态，这种状态就是同步。
但是如果应用程序发出这个请求后马上去做其他事情，那么这个OS完成读数据后，会给应用程序发出一个异步消息告诉APP这个数据已经处理完成。也就这个指令发出请求的过程是同步的，但是返回这个过程可能是异步也可能是同步的。

同步是指：当程序1调用程序2时，程序1停下不动，直到程序2完成回到程序1来，程序1才继续执行下去。 异步是指：当程序1调用程序2时，程序1径自继续自己的下一个动作，不受程序2的的影响
同步是阻塞的，异步不阻塞进程

3.响应状态：
中断：对于中断来说，打断了当前APP的正常执行，但是APP并没有感觉到有中断产生，
因为OS透明完成（悄悄完成），所以并没有影响到APP，所以APP持续执行。
异常：后果严重时，会杀死APP，或者重新执行产生异常的指令（产生异常的指令在OS的支持下再次执行也有可能正常执行）。
系统调用：等待服务完成后继续执行，不会重复执行系统调用的指令。

中断和异常的处理

首先，产生一个中断或者异常，需要知道具体这个中断或异常是哪一个特定的服务历程来服务。所以需要设置中断向量表，通过标记可以清楚的知道异常/中断所处的位置。不同的外设存在一个特定的编号，也就拥有一个特定的地址，这个地址就是针对某一个特定服务历程的。
当OS收到这个中断，根据中断表，查到对应的中断服务历程的起始地址，直接跳转到这个位置来执行就可以了。为了能够让整个系统正常工作，还需要完成一些更多的事情

中断(Interrupt)的处理过程

当中断产生后，打断了当前的正常执行来处理更加紧急的中断事件，那么打断一个程序的执行，我们需要在硬件和软件方面做出一定的保存与恢复机制。才能保证完成中断处理以后整个系统仍然能够正常进行。

硬件：外设是一个硬件，当他需要OS给予相应的支持之后，那需要产生一个标记，让CPU知道中断的产生。CPU看到这个中断标记后，可以产生一个具体的中断号（ID），然后把中断号发给OS，从而让OS根据中断号找到对应的处理历程。

软件：软件方面就是操作系统本身。
首先要保存被打断的执行现场(保持当前的处理状态，这个程序执行到什么地方了，执行的寄存器的内容等，都需要保存起来，这样才能令中断处理完成后的程序继续衔接打断之前的工作内容）
其次，根据CPU给的中断号查到对应的中断处理历程的地址，然后跳过去执行，这个过程会根据外设产生的中断的具体情况来完成响应操作。Ex)这个外设是网卡，来一个数据包，则这个终端历程需要把数据包取出来做出相应的处理。
处理完之后，应该让被打断的程序继续执行，这就需要恢复上述提到的保存的数据。
中断的整个执行过程是对应用程序透明的，应用程序感受不到中断的产生。

异常(Exception)的处理过程

异常与中断不同，异常也是因为某个特定的指令触发了异常事件，比如除0操作。他也会有一个异常的ID，然后OS会根据这个ID保存现场（当前执行进度、这条指令地址、当前寄存器的内容等）。保存之后操作系统会根据ID进行相应处理，分为两种：
退出执行（杀死）或者重新执行[OS认为这个程序的异常原因是因为OS的服务不到位，OS会进行一定的弥补工作，然后根据刚才异常产生的现场进行恢复，让应用程序重新执行。由于OS已经将把他产生异常的原因补完，所以就不会再次产生异常，这个过程和中断相同，对应用程序是透明的。APP感受不到某条特殊指令会产生异常。

系统调用System Call

来源于APP，需要OS提供服务，而这些服务APP不能直接执行，需要OS来执行。这些过程需要一些接口，这些接口我们称为系统调用接口。有这些接口，OS就能给我们提供各种服务。
Ex)

……………………
printf("Helloworld!");
……………………

这条指令是打印一串字符串。这条指令最终会触发一个write（）系统指令。write系统调用会带一些参数，这些参数包含了要让哪个设备来显示这个字符串以及字符串的内容。很明显操作系统在获取这个参数后会访问对应的设备，比如这里就是我们的屏幕。着整个过程是操作系统完成的而不是应用程序完成的，应用程序只能发出请求。当OS完成这个请求，它会返回一个成功或者失败让APP知道，然后APP进行后续的执行工作。
上图中的右子图是一个通用接口，通过这个借口，APP可以完成各种各样的功能，对整个计算机系统进行间接的管理和控制。
为了方便应用程序能够使用OS的系统调用接口，产生了很多定义好的API。
详见下图

POSIX：通用可移植的标准。遵循这个标准的OS，同一个程序可以跨平台执行。
JAVA API：不是系统调用，那些API只是Java虚拟机提供的支持，是由库来实现的。最终还是根据环境不同（WIN/LINUX环境）应用其他API来实现OS功能。

系统调用的实现

对于应用程序(APP），它只需要知道这个系统调用能提供什么样的功能，他的接口是什么，参数是怎么定义的就可以了。但是从操作系统的角度来说。
英文原图：


APP会直接或者间接通过库（Library）来访问系统调用的接口，一旦访问API。会触发一个从用户态到内核态的转变。
用户态：应用程序 执行过程中，CPU处于一个特权级的状态。他的特权级非常低，不能够直接访问某些特殊的机器指令和直接访问IO。
内核态：OS运行过程中CPU所处于的一个状态，这个状态下OS可以执行任何一种指令，这使得安全性得到保障。
System Call Interface阶段：当我们应用程序调用一个系统调用时，完成一个用户态到内核态的装换，控制权从APP转到OS。
那么OS可以对应用程序发出的这些系统调用的参数(ID)做出标识，作出标识后，就可以对这个系统调用进行识别和完成具体的服务。

函数调用和系统调用的区别

当应用程序发出函数调用，其实是在一个栈空间完成的参数的传递和返回。
但是系统调用的执行过程中，我们的应用程序和操作系统拥有各自的堆栈，当APP发出系统调用之后，当他切换到内核里执行的时候，需要切换堆栈同时也需要完成特权级的转换 （用户态到内核态）。这些转换都会需要一定的开销，也就意味着当系统调用时，开销会比函数调用大很多。

开销

由图可知，三种操作都跨越了APP和OS和外设的边界，跨越边界都有一定的代价。跨越边界是为了更加安全、可靠地执行各种上级程序。

映射关系的开销
表：

指令	对应服务历程
中断号x	y1
异常号x	y2
系统调用号x	y3

为了让中断/异常/系统调用进行处理，首先要有一个对应的映射关系。（对应的系统调用号、中断号对应的哪一个服务历程，这个表要在能够让他正常工作之前就建好。OS初始环节就需要把这个表做好）
内核堆栈的开销
操作系统有自己的堆栈，不能和程序堆栈混淆。这样维护堆栈的开销也是必须的。（退出时保存堆栈，执行时堆栈恢复等）。同理，APP的执行到内核里执行时，需要保存APP的堆栈信息，当内核操作完成后，返回到APP又需要用到APP的堆栈信息。
验证参数的开销
操作系统不信任我们的应用程序，他会认为APP会有恶意程序的存在。所以OS在运行APP之前会进行一个安全检查，这个检查当然也会有开销。
内核态映射到用户态的开销
操作系统处理完某些数据后，会把这些数据从内核态拷贝到用户态，这个过程会有新的开销。不像应用程序内指针传递那样简单，他必须要把内核空间的数据拷贝到用户空间。
内核态的独立地址空间的开销
随着应用程序执行，有可能会引起内存状态的改变（后续课程详解）。比如页机制的转变，关于CPU的Cache（闪存）和TLB有可能会被刷新。这个刷新过程会导致额外的开销。

关于Cache和TLB相关内容请参考CSA（计算机组成原理对应章节）

小结：
这些都因为执行中断、异常、系统调用过程中可能会带来的开销，但是这些开销是必须的，有这些开销的存在才能保证OS在安全可靠的环境下运行。