操作系统的启动，中断，异常，应用程序002

一、操作系统的启动

1、计算机开始启动，接通电源。基本上三部分：

1. cpu
2. mbr
3. i/o

• DISK：存放OS（还有一个简单的小程序bootloader）
• BIOS:基本i/o处理系统：电脑接通电源，开机时，BIOS 进行检查外设是否正常工作，完成基本检查作用。从而才开始加载相应的软件。
• Bootloader：加载OS
  让从OS从硬盘放到内存当中去。然后让CPU执行 操作系统。
  操作系统一开始并没有放到内存当中，而是放到diske硬盘中，然后有BIOS提供相应的支持。

2、计算机的启动，操作系统的启动简单描述。BIOS–>bootlater–>os

1. BIOS已经在计算机内存中占好一部分内存。从一个固定地址（CS：IP=0xf000:fff0。段寄存器：指令寄存器）开始执行。可以合成一个物理地址。
2. 可以完成一系列工作：POST（加点自检）：寻找显卡，外设
3. BIOS将Bootlater放到硬盘第一个主引导扇区。这样BIOS很容易找到，找到第一个扇区，就可以将他加载到内存中去。第一个扇区有512字节。
4. bootlater将OS从硬盘中，放到内存中。
5. bootlater的控制权，交给OS（相当于跳到起始地址执行）
6. OS就可以在内存中，进行工作，前期的初始化，后期各种应用程序。
7. 到此为止接下来，整个系统的硬件管理都处于OS管理之下。

二、操作系统与外设和程序交互

操作系统面向外设通过中断、I/o来进行处理，管理和控制
操作系统面向应用程序是：系统调用、异常来提供服务功能和支持。

1.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。需要操作系统提供支持。

2.异常（来源于不良的应用程序）

非法指令或其他坏的处理状态。（如：内存出错）

3.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。

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为什么应用程序不能直接操作外设，而是通过操作系统呢？

1. 安全角度：对应用程序不信任。操作系统是一个特殊的软件，和应用程序最大的不同是：对整个计算机有控制权力，可以执行特权指令。可信任的软件。
2. 在计算机运行中，内核是被信任的第三方。
3. 只有内核可以执行特权指令
4. 操作系统为上层应用提供简单、可移植的接口，可以让上层应用不用关注底层信息，人怎关注开发软件即可。
5. 通用、可移植。

三、操作系统如何实现和设计中断、异常、系统调用？它们三者有什么区别和特点？（源头、处理时间、相应状态）

1. 源头：

• 中断：是来源于【外设】
  中断来源于外设，并不是CPU产生的，外设比如键盘，鼠标，网卡声卡等等。
• 异常：是来源于应用程序，但是是应用程序意想不到的行为。所有的异常，并不是应用程序主动想去发出的请求，而发生了以后，操作系统会对这些意外的事件，做出相应的处理。
  并不是应用程序主动想去产生的事件。而是应用程序在去执行某个特定的代码的时候，发生的异常事件。比如 做除以0的操作，做之前并不知道，它是不能做除零操作的。产生事情了以后，其实这是一条不能让计算机正常工作的指令，为此，操作系统及时发现去处理。
  比如：恶意程序，越过权限去操作另外程序的地址空间。操作系统及时发现去抑制。
• 系统调用：应用程序主动请求，操作系统提供服务。和异常都是应用程序产生的，但是系统调用是主动要求，异常是被动行为。
  比如打开文件，读写文件等等。操作系统具体来完成的，应用程序只需要定义好的系统调用的接口，把接口的参数设置好后，具体的实现是由操作系统来完成。

2. 处理时间：

• 中断：异步
  异步：当事件产生的时候，应用程序并不知道什么时候产生。
• 异常：同步
  同步：应用程序一定知道什么时候进行异常。
• 系统调用：异步或者同步
  应用程序向操作系统发布请求时是同步的，但是操作系统完成事件后，向应用程序发送的可能是异步也可能是同步消息。
  系统调用有可能是异步的，系统调用当他发出请求后，返回的时间是异步的。当应用程序发出读数据，应用程序去工作其他的了，操作系统完成读数据后，它会给应用程序发出一个异步的消息说“已做完”。
  正常情况下是同步的，当应用程序调用发出之后，要读数据，操作系统进行读数据处理，最终返回应用程序。应用程序是等待状态，这样是同步。

3. 相应状态：

• 中断：持续，对用户应用程序是透明的
  打断是当前应用程序的正常执行，但是应用程序并不知道有中断产生。因为操作系统瞧瞧的完成了，并没有影响应用程序。
• 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序。或者是重新执行。
• 系统调用：等待和持续服务完成之后，继续执行。并不会重复执行。

四、中断和异常处理过程

1、硬件处理过程

• 设置中断标记【CPU初始化】
  1.将内部、外部事件设置中断标记。当CPU看到标记后，会得出具体哪个中断。将中断号发给操作系统，从而操作系统根据中断号找到对应的处理过程。
  2.中断事件的ID

2、软件处理过程

1.中断：

当中断执行过程，其实对应用程序是透明的，应用程序完全不用感知中断的产生。

• 保存当前处理状态
  当程序执行中，突然打断程序执行，操作系统需要保护被打断的执行现场，便于恢复后，程序正常运行。
• 中断服务程序处理。
  根据CPU给的中断号，查到对应的处理的地址，根据外设产生的具体情况，来完成相应的操作。比如是网卡外设，来了一个数据包，而这个中断服务历程需要把这个数据包取出来，进行进一步处理。这就是中断服务程序处理的事情。
• 清楚中断标记
• 恢复之前保存的处理状态。
  当上述问题处理完之后，应该让被打断的事情继续执行，需要【恢复之前保存好的数据、地址】。从而使应用程序在完全不知情的情况下，继续执行过程。

2.异常：异常编号

对应用程序是透明的，应用程序完全不用感知异常的产生
当应用程序执行到某个特定的指令之后，这个特定指令触发了异常事件（比如除零操作），CPU就会有异常编号ID号。

• 保护现场
  保护这条指令的地址、寄存器内容
• 异常处理
  杀死产生了异常的程序
  重新执行异常指令（例如服务不到位，将现象弥补好。）
• 恢复现场
  根据现场进行重新执行这条指令（根中断不一样，中断是继续执行下面的指令。）

五、系统调用的分析

• 应用程序需要操作系统提供服务，不能让应用程序执行执行，而是操作系统执行。这个过程需要一个接口，接口称为系统调用接口。就可以让操作系统为应用程序提供各种服务。
• 为了方便应用程序能够使用操作系统的接口，有很多定要好的API
• 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