【课程笔记】2.中断、异常和系统调用

Sma2tArt
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本文记录一下中断、异常和系统调用的学习内容。

操作系统与设备和程序交互，这其中有Interface的设计问题。而操作系统的Interface有三个：1.系统调用；2.异常；3.中断。面向外设是通过中断和IO进行处理的，面向应用程序是通过系统调用和异常来提供相应一些功能。

我们先来讲解一下操作系统的启动：

1.操作系统的启动

作用解析

Disk : 存放OS和Bootloader

BIOS : 基于I/O处理系统，负责将Bootloader加载到内存

Bootloader : 加载OS，将OS放入内存

结构

Disk

|___ OS

|___ Bootloader

开机流程

  1. BIOS
    • 开机后，寻找显卡和执行BIOS (此时, CS : IP = 0xF000 : 0xFFF0, CS/IP 两个寄存器)
    • 将Bootloader从磁盘的引导扇区加载到0x7C00 (Bootloader一共占用512字节的内存)，CPU的控制权就由Bootloader来掌握了。
    • 跳转到 CS : IP = 0x0000 : 0x7C00
  2. Bootloader
    • 找到硬盘中操作系统的起始扇区以及操作系统的长度，将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中
    • 把CPU控制权交给OS
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2.中断

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。

中断流程

硬件：设置中断标记（CPU初始化）

  1. 将内部、外部事件设置中断标记
  2. 中断事件的ID（指程序访问的中断向量地址）

软件

  1. 保存当前处理状态（寄存器之类的一些数据）
  2. 根据中断事件的ID跳转到中断服务程序，中断服务程序处理
  3. 清楚中断标记
  4. 恢复之前保存的处理状态

3.异常

异常来源于应用程序意想不到的行为，非法指令或者其他坏的处理状态（如：内存出错）。OS需要被动去处理。

异常处理流程

异常编号

  1. 保存现场
  2. 异常处理
    1. 杀死了产生异常的程序
    2. 重新执行异常指令
  3. 恢复现场

4.系统调用

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。程序访问主要是通过高层次的API，而不是直接调用系统调用函数。

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APIs：

  • Win32 API 用于Windows
  • POSIX API 用于 POSIX-based systems（包括UNIX，LINUX，Mac OS X）
  • Java API 用于JAVA虚拟机

特点

  • 通常情况下，每个系统调用有对应的序号
    • 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
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用户态：操作系统运行中，CPU处于的特权级别，不能直接执行特权指令

内核态：操作系统运行中，CPU处于的特权级别，可以执行任何一条指令

系统调用：触发CPU从用户态到内核态的转换，切换程序和内核的堆栈，需要一定的开销，比执行函数调用更大的开销，但安全可靠。

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特权模式

  • CPU 硬件支持不同的特权模式
    • Kernel Mode（内核态） vs User Mode（用户态）
    • 内核态可以执行用户态无法执行的特权操作
      • 访问外设
      • 配置地址空间（虚拟内存）
      • 读/写特殊系统级寄存器
  • OS内核运行在内核态
  • 应用程序运行在用户态
  • 每个微处理器都有类似的用户/内核模式标志

跨越操作系统边界的开销（值得的且必须的，保证了操作系统的安全性）

  • 在执行时间上的开销超过程序调用
  • 开销：
    • 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（更新页面映射权限）
    • 内核态独立地址空间（TLB）

中断处理例程（interrupt handle）：硬件中断/异常的处理程序

  1. I/O 设备通过向处理器芯片的一个引脚发信号，并将异常号放到系统总线上，以触发中断；
  2. 在当前指令执行完后，处理器从系统总线读取异常号，保存现场，切换到内核态；
  3. 调用中断处理例程，当中断处理程序完成后，它将控制返回给下一条本来要执行的指令。

区别

类型源头处理时间响应
中断外设异步持续，对应用程序透明，由OS进行了处理
异常应用程序意向不到的行为同步杀死或重新执行意想不到的应用程序指令
系统调用应用程序请求系统提供服务同步或异步等待和持续

异步：应用程序不知道什么时候会发生中断

同步：执行到某一条指令一定会发生该事件

为什么应用程序不能直接访问外设呢？而需要通过OS

  • 在计算机运行时，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
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