文章目录
本文主要介绍两部分内容：
1、操作系统如何从加电后启动到正常运行，然后让应用程序能够正常的工作？
2、操作系统如何提供相应的接口，来为应用提供服务，以及控制外设？这个问题涉及到中断、异常和系统调用。
一、操作系统的运行机制
OS的启动过程：计算机未启动前，操作系统一直存放在硬盘上。计算机加电后，BIOS首先从一个特定的内存地址开始执行一系列自检，自检成功后，把Bootloader加载到内存中。进而通过Bootloader将OS加载到内存中，才可以让CPU去执行。
简单来说就是，BIOS负责加载BootLoader，BootLoader负责加载OS。
BIOS，即(Basic Input Output System) 基本IO处理系统)功能：在计算机加载电源后，能够让计算机系统开始自检， 即检测各种外设。检测完成后，才能加载相应的软件进行执行。
- DISK：存放OS。
- BIOS：基本I/O处理系统。
- BootLoader功能：将OS从硬盘加载到内存。
在计算机内存中，一部分内存已经被BIOS占满，加电后BIOS首先从一个特定的内存地址(在x86上是0xf000:fff0)开始执行，进而完成一系列工作，包括POST(加电自检)，当外设都能正常工作，就会把Bootloader加载到内存中。
- 内存地址
CS：IP = 0xf000:fff0(CS:段寄存器，IP：指令寄存器) - POST：加电自检，寻找显卡和执行BIOS。
1.1 BIOS加载Bootloader
加电前Bootloader被放在硬盘的第一个主引导扇区，方便BIOS查找。一般硬盘的第一个扇区大小为512个字节。这意味着bootloader仅有512个字节，就可以完成有趣的功能，最主要的功能就是将OS从硬盘放入内存。
1.2 cpu控制权的转移
由BIOS到bootloader：当BIOS将bootloader从硬盘放入内存之后，CPU的控制器也随之移交给bootloader，bootloader接下来会去寻找硬盘起始扇区、硬盘上操作系统的起始扇区、操作系统的长度，将这几个磁盘块儿从硬盘读到内存中。
由bootloader到OS：bootloader的功能完成之后，将CPU的控制权交给OS。
1.3 OS与外设和应用程序交互
OS与外设和应用程序交互是通过interface实现的，面向外设通过中断与IO处理，面向应用程序通过系统调用和异常提供相应的功能。
| interface | 来源 | 定义 | 处理时间 | 响应 |
|---|---|---|---|---|
| 系统调用 | 应用程序 | 应用程序主动向操作系统发出服务请求 | 异步或同步 | 等待和持续 |
| 异常 | 应用程序意想不到的行为 | 非法指令或其他坏的处理状态(如：内存出错) | 同步 | 杀死或重新执行 |
| 中断 | 外设 | 来自不同的硬件设备的计时器和网络的中断 | 异步 | 持续,对用户应用程序是透明的 |
为什么应用程序不能直接访问外设，而是由OS来操作？
- 计算机中，内核是被信任的第三方，使用OS操作外设更
安全。 - 只有内核可以执行
特权指令。 - 为了
方便应用程序。
1.4运行机制的几个概念
问题1：“指令”与“代码”有什么区别？
“指令”就是处理器能识别并执行的最基本的命令，分为特权指令和非特权指令。
- 特权指令：如内存清零。
- 非特权指令：如普通的运算指令。
问题2：普通用户是无法使用特权指令的，那么cpu是如何判断当前是否可以执行特权指令？
为此，引入了cpu的两种状态：
- 用户态(目态)：此时cpu只能执行非特权指令。
- 核心态(管态)：特权指令、非特权指令都可以执行。
和心态-->用户态的切换：使用程序状态字寄存器(PSW)中的某个标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。
两种程序：有的程序需要使用特权指令，有的程序只能使用非特权指令，因此计算机系统将程序分为
内核程序和普通程序。
- 内核程序：内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行于核心态。
- 应用程序：为了保证系统的安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。
二、操作系统的体系结构
2.1 OS的内核
操作系统中并不是所有的东西都是核心的、并不是所有的东西都是必须存在的。
内核：内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的程序就是内核程序。
2.2 OS的体系结构
