操作系统（1）—— 基本概念、系统调用、异常和中断

什么是操作系统

• 用户角度上，操作系统是一个系统软件
• 管理应用程序
• 为应用程序提供服务
• 杀死应用程序
• 资源管理
• 管理外设，分配资源

操作系统架层次结构

• 硬件之上，应用程序之下

  应用软件：办公软件、视频播放软件

  操作系统位于应用程序之下，为应用软件提供服务支撑

• Linux、Windows、Android的界面

  属于外壳（Shell） ，而不是内核（Kernel） 。Kernel是研究重点，在Shell以下。

• Kernel 操作系统内部组件，包括：

  • CPU调度器
  • 物理内存管理
  • 虚拟内存管理
  • 文件系统管理
  • 中断处理与设备驱动

• OS Kernel的特征：

  • 并发：计算机同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度

  • 共享：同时访问、互斥共享

  • 虚拟：利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务

  • 异步：程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知，但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同。

为什么学习操作系统

• 综合课程：结合多种不同的课程，包括程序设计语言、数据结构、算法等。
• 已经有了很多操作系统，例如Windows、Linux、Unix。

操作系统：计算机科学研究的基石之一。

• 计算机系统的基本组成部分
• 由硬件的发展和应用需求所驱动
• 学术和工业的持续推进

操作系统的需求

• 操作系统必须是高效的，低耗CPU、内存、磁盘的
• 操作系统出错意味着机器出错，操作系统必须比用户程序拥有更高的稳定性
• 操作系统是系统安全的基础
• 操作系统需要权衡：空间与时间、性能和可预测性、公平和性能
• 硬件方面的需要：良好的硬件管理、合理的资源分配，例如磁盘速度跟CPU、内存相差很多，操作系统需要协调处理。

历史概要

• 早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载作用；
• CPU等硬件快速发展，计算机速度得到提升，性能未得到充分利用；
• 内存的容量越来越大，CPU执行多个程序；
• 出现了分时系统、分布式操作系统、松紧耦合系统。

操作系统的启动

相关组成部分：CPU、I/O（timer/Disk,etc）、内存。

• Disk：硬盘，存放OS。
• BIOS：基本O/I处理系统，用来检测外设。
  • BIOS启动时的固定特殊地址：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。
• Bootloader：加载OS，位于内存的第一个扇区，使CPU可以执行操作系统。

操作系统与设备和程序交互（Interface：系统调用、异常、中断）

1. 定义

• 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（来源于不良的应用程序）：非法指令或者其他坏的处理状态，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。

2. 为什么应用程序不能直接访问外设或操作系统

• 在计算机运行中，内核时被信任的第三方
• 只有内核可以执行特权应用
• 为了方便应用程序

3. 三者的区别与特点

源头：

• 中断：外设
• 异常：应用程序意想不到的行为
• 系统调用：应用系统请求操作系统提供服务

处理时间：

• 中断：异步（不知道产生的时间点）
• 异常：同步（已知发生的时间点）
• 系统调用：异步或同步

响应：

• 中断：持续，对用户应用程序是透明的
• 异常：杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
• 系统调用：等待和持续

4. 中断和异常的处理机制

（1）中断处理

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：

• 保存当前处理状态，便于后续恢复现场
• 中断服务程序处理
• 清除中断标记
• 恢复之前保存的处理状态

（2）异常处理

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

5. 系统调用的处理机制

• 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
  • Win 32 API 用于 Windows
  • POSIX API 用于 POSIX-based systems，包括Unix、Linux、Mac OS X的所有版本
  • Java API 用于 Java虚拟机（JVM）
• 通常情况下，有每个系统调用相关的序号，系统调用接口根据这些序号来维护表的索引；
• 系统调用接口调用内核态中预期的系统调用，并返回系统调用的状态和其他返回值；
• 用户不需要知道系统调用是如何实现的，只需要获取API和返回结果。

6. 跨越操作系统边界的开销

• 在执行时间上的开销超过系统调用
• 开销：
  • 简历中断/异常/系统调用序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）