(补充)操作系统基本操作[os]

1.操作系统的启动

(1)CPU, I/O, 内存通过总线连接。
(2)DISK: 存放OS；
BIOS：基本I/O处理系统( basic I/O system); Bootloader: 加载OS到内存中。
(3)当电脑通电时，段寄存器CS和指令寄存器IP能够确定一个内存地址，例如 CS:IP = 0xf000:fff0.
(4)POST(加电自检)，寻找显卡和执行BIOS。(显示器，键盘…是否正常)。
(5)步骤：

BIOS: 将Bootloader从磁盘的磁盘的引导扇区(512字节)加载到0x7c00；跳转到CS:IP=0000:7c00的内存区域(以便下一步)
Bootloader：将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中；跳转到操作系统的起始地址。

(6)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。
(7)异常：(来源于不良的应用程序)非法指令或其它花的处理状态(e.g.内存出错)。
(8)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。

(9)为什么应用程序不能直接访问硬件而是通过操作系统？

计算机运行时，内核是被信任的第三方。
只有内核可以执行特权指令。
为了方便应用程序。

(10)讨论的问题：操作系统如何设计和实现中断/异常和系统调用；他们三者的区别和特点。

(11)产生的源头

中断：外设(键盘/鼠标/网卡/声卡/显卡，可以产生各种事件)
异常：应用程序意想不到的行为(e.g.异常，恶意程序，应用程序需要的资源未得到满足)
系统调用(system call)：应用程序请求操作提供服务(e.g.打开/关闭/读写文件，发送网络包)

(12)处理时间

中断：异步；
异常：同步；
系统调用：同步或异步。

(13)响应

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

2.中断/异常和系统调用

(1)中断/异常处理机制
中断是外设的事件，异常是CPU的事件；中断/异常迫使CPU访问一些被中断和异常服务访问的功能。

(2)中断处理机制
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(程序访问的中断向量地址)
软件(操作系统)：
保存当前处理状态
中断服务程序处理
清除中断标记
恢复之前保存的处理状态

(3)异常处理机制
异常：异常编号

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
恢复现场

(4)系统调用

一条指令会触发一个系统调用
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。
通常情况下，存在与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它任何返回值。
用户不需要知道系统调用是如何实现的，只需要获取API和了解操作新系统将什么作为返回结果。操作系统接口的细节大部分都隐藏在API中，并通过运行程序支持的库来管理。
用户态：应用程序在执行的过程中，CPU执行的特权级的状态(很低，不能访问特殊机器指令和IO)。
内核态：应用程序在执行的过程中，CPU执行的特权级的状态(高，操作系统可以执行CPU任何一条指令)。

用户态和内核态可以避免一些恶意程序直接对操作系统造成影响
系统调用时涉及到特权级从用户态到内核态的转换，应用程序和操作系统有各自的堆栈，这两个变化比函数调用的开销更大，但更安全和可靠。(而程序调用是在一个栈空间实现参数的调用和返回)。