3.1BIOS
計算機體系結構概述
cpu加電執行的第一條指令是在內存中，內存分成RAM隨機訪問存儲，還有一個ROM只讀存儲，rom中還有一些原來寫入的一些內容，這些內容系統初始化代碼就從那里開始執行
啟動時計算機內存和磁盤布局
加載程序的內存地址空間
加載程序讀操作系統，再把相應的控制權轉到讀進來的操作系統內核代碼上，操作系統就可以開始運行的
BIOS系統調用 （提供功能）
■BIOS以中斷調用的方式 提供了基本的I/O功能
INT 10h:字符顯示
INT 13h:磁盤扇區讀寫
INT 15h:檢測內存大小
INT 16h:鍵盤輸入
■只能在x86的實模式下訪問（限制）
3.2系統啟動流程
主引導記錄著從哪個文件系統里去讀加載程序，有了主引導記錄之后，然后就進到當前哪個分區里面，分區里面又有一個分區的引導扇區，這個活動分區的引導扇區再來加載之前那個加載程序（BootLoader）
CPU初始化
CPU初始化之后，根據代碼段段寄存器和當前指令指針寄存器這兩個的內容，算出來它的第一條指令在內存當中的什么地方
■CPU加電穩定后從0XFFFF0讀第一條指令
CS:IP = 0xf000:fff0
第一條指令是跳轉指令
■CPU初始狀態為16位實模式
CS:IP是16位寄存器
指令指針PC = 16*CS+IP
最大地址空間是1MB（因為是20為的地址）
BIOS初始化過程
■硬件自檢POST
■檢測系統中內存和顯卡等關鍵部件的存在和工作狀態
■查找并執行顯卡等接口卡BIOS，進行設備初始化；（設備自身有初始化程序）
■執行系統BIOS，進行系統檢測；
檢測和配置系統中安裝的即插即用設備；
■更新CMOS中的擴展系統配置數據ESCD（配置表，每次加電都會更新插入和拔出的卡）
■按指定啟動順序從軟盤、硬盤或光驅啟動（設置啟動順序來讀進第一塊扇區）
主引導記錄MBR格式
■啟動代碼：(只有）446字節（因為分區的信息也要存在512字節中）
檢查分區表正確性
加載并跳轉到磁盤上的引導程序
■硬盤分區表：64字節
描述分區狀態和位置
每個分區描述信息占據16字節
■結束標志字：2字節(55AA)
主引導記錄的有效標志
分區引導扇區格式
■跳轉指令：跳轉到啟動代碼（cpu不一樣，指令也是不一樣的）
與平臺相關代碼
■文件卷頭：文件系統描述信息
■啟動代碼：跳轉到加載程序（存在硬盤上可以改動）
■結束標志：55AA
加載程序(bootloader)
配置文件，不同系統這個文件格式是不一樣的，依據這個選擇你啟動的這種參數，比如說我是在正常啟動，還是說我是在安全模式啟動，還是說我是在一個調試狀態下啟動我的系統，那這些區別都會讀出來之后，它導致我在加載內核的時候的一些內核會不一樣，或者說我加載的時候的參數會不一樣，依據配置去加載內核
系統啟動規范
■BIOS
固化到計算機主板上的程序
包括系統設置、自檢程序和系統自啟動程序
BIOS-MBR、BIOS-GPT、PXE（GPT，全局唯一標識分區表，可以描述更多分區（四個以上））
■UEFI（統一可擴展固件接口）
接口標準
在所有平臺上一致的操作系統啟動服務
擴展：可信流
3.3中斷、異常和系統調用比較
背景
■為什么需要中斷、異常和系統調用
在計算機運行中，內核是被信任的第三方
只有內核可以執行特權指令
方便應用程序
■中斷和異常希望解決的問題（用于解決意外的情況）
當外設連接計算機時，會出現什么現象？
當應用程序處理意想不到的行為時，會出現什么現象？
■系統調用希望解決的問題
用戶應用程序是如何得到系統服務？
系統調用和功能調用的不同之處是什么？
內核的進入與退出
中斷、異常和系統調用
■系統調用（system call）
應用程序主動向操作系統發出的服務請求
■異常(exception)
非法指令或者其他原因導致當前指令執行失敗(如：內存出錯)后的處理請求
■中斷(hardware interrupt)
來自硬件設備的處理請求
中斷可以滿足應用程序，外部設備或者程序執行異常的服務請求
中斷、異常和系統調用比較
■源頭
中斷：外設
異常：應用程序意想不到的行為（可能內部也可能外部）
系統調用：應用程序請求操作提供響應方式服務
■響應方式
中斷：異步
異常：同步
系統調用：異步或同步
■處理機制
中斷：持續，對用戶應用程序是透明的
異常：殺死或者重新執行意想不到的應用程序指令
系統調用：等待和持續
中斷處理機制
硬件處理
■在CPU初始化時設置中斷使能標志
依據內部或外部事件設置中斷標志
依據中斷向量調用相應中斷
服務例程
中斷和異常處理機制
軟件
現場保存（編譯器）
中斷服務處理（服務例程）
清除中斷標記（服務例程）
現場恢復（編譯器）
中斷嵌套
■硬件中斷服務例程可被打斷
不同硬件中斷源可能硬件中斷處理時出現
硬件中斷服務例程中需要臨時禁止中斷請求
中斷請求會保持到CPU做出響應
■異常服務例程可被打斷
異常服務例程執行時可能出現硬件中斷
■異常服務例程可嵌套（異常中還可以出現異常）
異常服務例程可能出現缺頁
3.4系統調用
■操作系統服務的編程接口
■通常由高級語言編寫（C或者C++）
■程序訪問通常是通過高層次的API接口而不是直接進行系統調用
■三種最常用的應用程序編程接口（API）
Win32 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虛擬機(JVM)
系統調用的實現
■每個系統調用對應一個系統調用號
·系統調用接口根據系統調用號來維護表的索引
■系統調用接口調用內核態中的系統調用功能實現，并返回系統調用的狀態和結果
■用戶不需要知道系統調用的實現
·需要設置調用參數和獲取返回結果
·操作系統接口的細節大部分都隱藏在應用編程接口后
通過運行程序支持的庫來管理
函數調用和系統調用的不同處
系統調用與函數調用的堆棧不一樣，系統調用可以用特權操作
■系統調用
·INT和IRET指令用于系統調用
■系統調用時，堆棧切換和特權級的轉換
■函數調用
·CALL和RET用于常規調用
常規調用時沒有堆棧切換
中斷、異常和系統調用的開銷
■超過函數調用
■開銷：
·引導機制
·建立內核堆棧
·驗證參數（參數的有效性合法性是需要做驗證的）
·內核態映射到用戶態的地址空間
更新頁面映射權限
·內核態獨立地址空間（TLB)
系統調用示例
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