1.操作系统的启动

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计算机操作系统最基本的三部分：

启动大致顺序：DISK：存放OS  ===>  POST（加电自检）：寻找显卡和执行BIOS  ===>   BIOS：基本I/O处理系统    ===> BootLoader：加载OS程序

2.操作系统与设备和程序的交互

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操作系统存在的意义是向外部提供interface。主要包括三种：

面向外设提供 中断

面向应用程序提供 异常 和 系统调用

定义

• 系统调用（来源于应用程序）：系统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中断 。

为什么应用程序不能直接去访问外设，而要通过操作系统？

• 在计算机运行中，内核是被信任的第三方，而应用程序可能是恶意的，不会被信任。
• 只有内核可以执行特权指令。
• 为了方便应用程序，只需要调用操作系统的接口，不太需要过于关注底层实现。

三者的区别和特点

源头：

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

处理时间：

• 系统调用：异步或同步 （系统调用可能会异步发生，调用的过程是同步的，但返回结果的过程可能是异步的，中间可能执行了其他调用的指令，不知道什么时候返回）
• 异常：同步
• 中断：异步

异步事件：操作系统不知道何时产生的事件。

响应：

• 系统调用：等待和持续
• 异常：杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令
• 中断：持续，对用户应用程序是透明的（用户操作的时候不会感觉到中断的发生）

3.中断和异常的处理过程

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  首先，产生一个中断或者异常的时候，需要知道这种中断或者异常应该由哪一个特定的服务例程来服务，这就需要建立一个表，一侧(key)是中断号或者异常号（标志到底是硬盘中断还是键盘中断），另一侧(value)是特定服务例程的地址，直接转跳执行。

  除此之外，打断了一个程序的正常执行，我们需要对这个程序进行保护，保护手段称为保存与恢复机制。

中断和异常分硬件和软件两部分来完成。

中断处理过程

  硬件首先依据自己的需求设置一个中断标记，CPU根据标记能得出是是哪种中断，并把对应的中断号发给操作系统。

  软件：保存现场 ===> 中断服务处理 ===> 清除中断标记 ===>恢复 现场 === > 继续执行

异常处理过程

  硬件首先依据自己的需求设置一个异常标记，CPU根据标记能得出是是哪种异常，并把对应的异常号发给操作系统。

  软件：保存现场 ===> 异常处理（杀死产生异常的程序、重新执行异常指令） ===> 清除异常标记 ===>恢复 现场 === > 继续执行

异常处理过程和中断的不同在于，异常可能会重新执行出错指令，这是因为有可能是操作系统出现问题产生了异常，等操作系统将产生异常的问题修补好以后就可以正常执行了，同样的重新执行得到正确结果后，用户不会感觉到异常的发生。

 

4.系统调用处理过程

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一个简单地系统调用例子：

  可以看出程序访问主要通过通过高层次的API接口（write()系统调用）而不是直接进行系统调用。

java API 用于JAVA 虚拟机，也是要通过虚拟机调用操作系统的接口实现功能调用。

  我们的应用程序会通过函数库找到系统调用接口，一旦访问系统调用接口之后，会触发一个用户态到内核态的转换，从而使得控制权从应用程序交到操作系统，之后操作系统对系统调用进行标识，并完成相应的服务。

用户态：应用程序在执行过程中CPU所处的特权级的一个状态，它的特权级比较低，不能直接访问一些特殊的机器指令和直接访问I/0。

内核态：操作系统运行过程中CPU所处的一个状态，在这种状态下，CPU可以执行任何一条指令。

  当执行系统调用的时候，开销会比执行函数调用大很多，这种从用户态到内核态的转换会带来额外的开销，但回报就是安全、可靠。

 

5.跨越操作系统边界的开销

系统调用、中断和异常这些跨越操作系统边界的交互会带来额外开销，主要包括以下几点：

• 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：这种映射的表需要在正常工作之前就建立好并加载到内存中。
• 建立内核堆栈：操作系统有自己的堆栈，不能和应用程序的堆栈混为一谈，这样就增加了维护堆栈(保存和恢复)的开销。
• 验证参数：操作系统不信任应用程序，会对应用程序发来的参数做检查，这部分是安全保障的开销。
• 内核态映射到用户态的地址空间：操作系统有可能要把内核态的数据导入到用户态，导入的过程不能像应用程序一样利用指针传递的方式实现，需要进行拷贝，这就带来了开销。
• 更新页数据TLB：刷新过程会导致额外的开销。