操作系统（1）—— 基本概念、系统调用、异常和中断

什么是操作系统 用户角度上，操作系统是一个系统软件 管理应用程序 为应用程序提供服务 杀死应用程序 资源管理 管理外设，分配资源 操作系统架层次结构

硬件之上，应用程序之下

应用软件：办公软件、视频播放软件

操作系统位于应用程序之下，为应用软件提供服务支撑

Linux、Windows、Android的界面

属于外壳（Shell） ，而不是内核（Kernel） 。Kernel是研究重点，在Shell以下。

Kernel 操作系统内部组件，包括：

CPU调度器 物理内存管理 虚拟内存管理 文件系统管理 中断处理与设备驱动

OS Kernel的特征：

并发：计算机同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度

共享：同时访问、互斥共享

虚拟：利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务

异步：程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知，但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结果也要相同。

为什么学习操作系统 综合课程：结合多种不同的课程，包括程序设计语言、数据结构、算法等。 已经有了很多操作系统，例如Windows、Linux、Unix。

操作系统：计算机科学研究的基石之一。

计算机系统的基本组成部分 由硬件的发展和应用需求所驱动 学术和工业的持续推进 操作系统的需求 操作系统必须是高效的，低耗CPU、内存、磁盘的 操作系统出错意味着机器出错，操作系统必须比用户程序拥有更高的稳定性 操作系统是系统安全的基础 操作系统需要权衡：空间与时间、性能和可预测性、公平和性能 硬件方面的需要：良好的硬件管理、合理的资源分配，例如磁盘速度跟CPU、内存相差很多，操作系统需要协调处理。 历史概要 早期计算机使用纸带传输程序和数据，操作系统只起到加载作用； CPU等硬件快速发展，计算机速度得到提升，性能未得到充分利用； 内存的容量越来越大，CPU执行多个程序； 出现了分时系统、分布式操作系统、松紧耦合系统。 操作系统的启动 相关组成部分：CPU、I/O（timer/Disk,etc）、内存。 Disk：硬盘，存放OS。 BIOS：基本O/I处理系统，用来检测外设。 BIOS启动时的固定特殊地址：CS:IP=0xf000:fff0。（CS：段寄存器，IP：指令寄存器） POST（加电自检）：寻找显卡和执行BIOS。 Bootloader：加载OS，位于内存的第一个扇区，使CPU可以执行操作系统。 操作系统与设备和程序交互（Interface：系统调用、异常、中断） 1. 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，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的中断。 2. 为什么应用程序不能直接访问外设或操作系统 在计算机运行中，内核时被信任的第三方 只有内核可以执行特权应用 为了方便应用程序 3. 三者的区别与特点

源头：

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

处理时间：

中断：异步（不知道产生的时间点） 异常：同步（已知发生的时间点） 系统调用：异步或同步 响应： 中断：持续，对用户应用程序是透明的 异常：杀死或重新执行意想不到的应用程序指令 系统调用：等待和持续 4. 中断和异常的处理机制 （1）中断处理

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

软件：

保存当前处理状态，便于后续恢复现场 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

（2）异常处理

异常：异常编号

保存现场 异常处理：杀死产生了异常的程序/重新执行异常指令 恢复现场 5. 系统调用的处理机制 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 Win 32 API 用于 Windows POSIX API 用于 POSIX-based systems，包括Unix、Linux、Mac OS X的所有版本 Java API 用于 Java虚拟机（JVM） 通常情况下，有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他返回值； 用户不需要知道系统调用是如何实现的，只需要获取API和返回结果。 6. 跨越操作系统边界的开销 在执行时间上的开销超过系统调用 开销： 简历中断/异常/系统调用序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）
作者：Sherry_wang168

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