中断、异常和系统调用

第2章：中断、异常和系统调用

标签（空格分隔）： 操作系统

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2.1 操作系统的启动

启动

• DISK：存放OS
• BIOS：基本I/O处理系统
  
  • 将BootLoader从磁盘的引导扇区（512字节）加载到0x7cDD，跳转到CS:IP = 0000:7cDD
• BootLoader：加载OS
  
  • 将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中，跳转到OS的起始地址
• 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

OS与设备和程序交互

• Interface 系统调用、异常、中断

• defs

  • 系统调用（来源于应用程序）
    
    • 应用程序主动向操作系统发出服务请求
  • 异常（来源于应用程序）
    
    • 非法指令或其他坏的处理状态（如内存出错）
  • 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

• 区别和特点

类型	源头	处理时间	响应
中断	外设	异步	持续，对用户应用程序是透明的
异常	应用程序意想不到的行为	同步	杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
系统调用	应用程序请求提供服务	同步或异步	等待和持续

2.2 OS的中断、异常和系统调用

（一）中断

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

软件（OS）

• 保存当前处理状态
• 中断服务程序处理
• 清除中断标记
• 恢复之前保存的状态

（二）异常：异常编号

• 保存现场
• 异常处理
  
  • 杀死产生了异常的程序
  • 重新执行异常指令
• 恢复现场

（三）系统调用

• 程序访问主要是通过高层次的API接口而不是直接进行系统调用

跨越操作系统边界的开销

• 在执行时间上的开销超过程序调用
• 开销：
  
  • 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
  • 建立内核堆栈
  • 验证参数
  • 内核态映射到用户态的地址空间，更新页面映射权限
  • 内核态独立地址空间，TLB