操作系统 - 启动、中断、异常、系统调用【1】

计算机体系结构概述

计算机的结构可以简化为下图。图中内存分为ROM（只读存储器）和RAM（随机存储器）。系统初始化代码从ROM里面读取并开始执行。

在这里插入图片描述

BIOS（英文：Basic Input/Output System），即基本输入输出系统，亦称为ROM BIOS、System BIOS、PC BIOS，是在通电引导阶段运行硬件初始化，以及为操作系统提供运行时服务的固件。BIOS最早随着CP/M操作系统的推出在1975年出现。BIOS预安装在个人电脑的主板上，是个人电脑启动时加载的第一个软件。

现在，BIOS的作用是初始化和测试硬件组件，以及从大容量存储设备（如硬盘）加载引导程序，并由引导程序加载操作系统；当加载操作系统后，BIOS通过系统管理模式为操作系统提供硬件抽象。在DOS时代，BIOS为DOS操作系统提供键盘、显示及其他I/O设备的硬件抽象层。

许多BIOS程序都只能在特定电脑型号或特定主板型号上运行。早年，BIOS存储于ROM芯片上；现在的BIOS多存储于闪存芯片上，这方便了BIOS的更新。

BIOS - 维基百科

电脑加电的时候会去执行BIOS部分。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
这里是以X86为例，BIOS启动后第一步就是从一个特定的地址（固定的内存地址 cs:ip）开始执行，然后完成一系列的工作。

约定加电的时候，CPU完成初始化之后从上图中地址开始执行代码。注意BIOS这部分大小是在1MB左右的，因为此时地址空间只有20位，所以220bit即1MB可以用。

在这里插入图片描述

BIOS部分需要提供的功能如上图所示，基本输入输出用于从磁盘上读取/写数据、从键盘上读输入、在显示器显示输出等。系统设置的例子有从哪个盘启动，或者是不是从网络启动。

最后根据配置加载程序和操作系统内容。具体过程是：

在这里插入图片描述

之所以不能从BIOS里面直接读取系统的内核映像，是因为要先确定了磁盘上的文件系统（市面上的文件系统有很多种）才可以读取。我们是直接预先约定好不需要知道文件系统的类型，就可以直接读取第一块数据，然后根据这些数据来识别磁盘上的文件系统，最后读取磁盘上的操作系统的内核映像并加载到内存。

最后提一下BIOS提供的功能和限制：

在这里插入图片描述

系统启动流程

在这里插入图片描述

要找主引导引导记录来去确定从哪个文件系统里面去读取加载程序，因为可能不只是有一个分区，不同分区使用的可能不是同一种文件系统。在确定主引导扇区之后就可以确定去哪个活动分区读取程序了。

在这里插入图片描述

自检是为了确定关键的几个硬件正常工作。系统检测主要是确定有没有系统存在，例如从U盘中启动系统（WinToGo）前就会先检测一下有没有系统在你的U盘里。最后会从指定的软盘、硬盘或者光驱读取第一块扇区。

读进来之后就要读取主引导记录：

在这里插入图片描述

读取完之后就会跳到活动分区的引导扇区上：

在这里插入图片描述

JMP部分与平台相关，不同平台不相同。启动代码来确定程序存放在哪，可以改动，程序的位置也可以改动。

在这里插入图片描述

启动配置文件的格式由系统决定。

在这里插入图片描述

BIOS已经有相应的标准，在写代码的时候需要按照标准来写（这样就不需要再每一种平台上都要实现不同的BIOS）。MBR是最早的，主引导记录只能最多描述4个分区，每个占16字节，总长512字节，但是现在计算机往往要用到4个以上的分区，所以就提出了GPT（全局唯一标识分区表），这样就可以不受只能描述4个分区的限制。PXE是网络启动的标准。UEFI还提供了对磁盘签名的认证，如果签名不对，那么会拒绝继续读取磁盘上的内容。

在这里插入图片描述

中断、异常和系统调用比较

为了给程序提供服务，同时不让程序执行特定的操作（安全问题）。关于图中的问题：外设连接计算机时，为了让系统能够对外设的输入做出适当的反应，就需要用到中断（用轮询的话太耗资源）。程序出错的时候也需要有相应的措施来应对这种意外情况。通过系统调用来提供接口，这样就可以在提供服务的前提下不至于导致出现安全问题。不同在于系统调用会有移植性的问题，因为不同系统会有不同的调用函数，速度也有一定差别，通常系统调用比功能调用快，还有一些别的，可以看这里。