操作系统学习笔记 2操作系统介绍
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熟悉完操作系统的第一篇章，开始学习第二篇章，关于操作系统的介绍。
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2操作系统介绍
启动
- 计算机体系结构概述
- 计算机内存和硬盘布局
- 开机顺序
中断、异常和系统调用
- 背景
- 中断、异常和系统调用相比较
- 中断和异常处理机制
- 系统调用的概念
- 系统调用的实现
- 程序调用与系统调用的不同之处
- 开销
2.1操作系统的启动
2.1.1BIOS-》BootLoader-》OS
从计算机原理角度看，就三部分。CPU，内存和IO。
操作系统开始并没有放在内存里，直接让CPU去执行，实际上它放在DISK，硬盘里面。然后由BIOS（基本I/O处理系统）提供支持。这样就可以，一按电源，让计算机去监测各种外设，使得BIOS完成最基本的功能。检测完外设之后，才能加载相应的软件去执行。
OS是放在DISK上面的，除了OS之外，还有很简单的小程序叫BootLoader。BootLoader主要功能是加载OS的，让我们的OS从硬盘放到内存里面去，然后让我们的CPU可以执行操作系统。
下面是指令寄存器
两个寄存器合起来会形成一个具体的内存的地址，上电之后就会从这个地址运行BIOS。这个地址执行之后，会完成一系列工作，POST（加电自检），寻找显卡和执行BIOS。
开始显示画面，说明加载显卡显示驱动，另外还有键盘鼠标来控制这些操作以及数据存储存在地址上面，这些基本的操作都需要BIOS来进行初始化的检查。完成之后，BIOS将BootLoader从DISK放到内存里面。
BootLoader会放置在第一个硬盘的主引导扇区，BIOS就比较好找，那就能把它放到内存中去。第一个扇区是512个字节。BootLoader会将更复杂的OS从硬盘放到内存中去。
BootLoader找到硬盘的起始扇区，硬盘操作系统的起始扇区以及操作系统长度，然后把这块内容（可能包含几个硬盘的磁盘块）从硬盘中读到内存中。
2.1.2系统调用\异常\中断
操作系统与设备和程序交互
面向外设是中断和I/O处理的
面向应用程序是通过系统调用和异常处理的
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（比如：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，而是需要通过操作系统操作系统是特别的软件，它对整个计算机有控制权。操作系统可以给上层应用提供一个简单一致的接口，使得上层应用不用去关注地下device的细节。针对不同device开发不同软件效率会很低，用于屏蔽底层的复杂性和差异性。
- 在计算机运行中，内核是被信任的第三方
- 只有内核可以执行特权命令
- 为了方便应用程序
操作系统如何设计和实现中断、异常和系统调用。它们三者有什么区别和特点
| 操作系统区别特点 | 中断 | 异常 | 系统调用 |
|---|---|---|---|
| 源头 | 外设（键盘，鼠标，网卡，声卡，显卡） | 应用程序意想不到的行为 | 应用程序请求操作系统提供服务（打开关闭文件，发送网络包） |
| 处理事件 | 异步 | 同步 | 异步或同步 |
| 响应 | 持续，对用户应用程序是透明的 | 杀死或者重新执行意想不到的应用程序指令 | 等待和持续 |
异步：这个事件产生了，但是操作系统并不知道这个时间什么时候产生
同步：特定的指令触发某种请求让操作系统完成。
2.2 操作系统的中断、异常和系统调用
不同的外设产生一个中断都有一个编号，一个编号会对应一个地址，地址就会特定中断服务地址的。
操作系统收到了一个中断信号，会根据一个中断表，会查到对应中断服务进程的起始地址。
当产生中断之后，打断当前的正常执行来处理紧急的外设中断事件，然后中断事件结束之后会继续正常运行。
使得上面能正常，分两部分完成，硬件和软件两部分组成
硬件
- 设置中断标记[CPU初始化]
- 包括将内部、外部时间设置中断标记和中断事件的ID
软件
- 保存当前处理状态（线程）
- 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
和中断类似，异常也是有对应的编号
- 保存现场
- 异常处理，包括杀死产生异常的程序和重新执行异常指令
- 恢复现场
系统调用有所区别
应用程序调用printf()会触发write系统调用，write会带有参数，比如哪个设备显示字符串和字符串的内容。操作系统获取到这两个参数之后，会去访问对应的设备，比如屏幕，让屏幕把字符串给显示出来。整个系统是操作系统去完成，而不是应用本身去完成。应用只需发一个请求交给操作系统即可，当操作系统完成这个请求之后，就会返回一个成功或者失败。这样应用就可以知道，应用程序做完这个请求之后可以继续完成其他的操作。
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。
-
win32 API用于Windows
-
POSIX API（通用API）用于POSIX-based systems，包括UNIX、Linux、Mac OS的所有版本
-
Java API用于Java虚拟机JVM
-
通常情况下，于每个系统调动相关的序号
系统调用接口根据这些序号为维护表的索引
-
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任何返回值
-
用户不需要知道系统调用是如何实现的
只需要获取API的了解操作系统将什么作为返回结果
操作系统接口的细节大部分隐藏在API中，通过运行程序支持的库来管理
函数调用和系统调用的区别
函数调用的时候，是在一个栈空间的，完成参数的传递和参数的返回。系统调用的时候，应用程序和操作系统会使用各自的堆栈。当应用层程序发起系统调用之后，会切换到内核里面去执行，他需要去切换堆栈，同时还会有状态的切换，从用户态到内核态的切换。
这个堆栈和状态的切换，都需要额外的开销。即当系统调用的时候会比函数调用的开销大，操作系统会付出额外的时间代价，但换来的是安全的、可靠的。
额外开销的总结（跨越操作系统的开销）
- 在执行时间上的开销超过程序调用
- 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（包括更新页面映射的权限）
- 内核态独立地址空间（TLB后备缓冲区）