操作系统学习笔记 | 2. 操作系统的启动与核心机制

启动

从计算机系统的角度来说，计算机启动时主要涉及三个部分：CPU、内存和 I/O。

操作系统最初存储在硬盘（DISK）上，由 BIOS（基本 I/O 系统）提供支持。BIOS 的基本功能是在电源启动后检测外设并加载相应的软件。硬盘上还存储了 BootLoader 软件，用于加载操作系统。

启动流程如下：

1. 加电 -> BIOS 加电自检（POST） -> 检查显卡和执行 BIOS

2. BIOS 加载 BootLoader（通常位于硬盘第一个扇区，大小为 512 字节）

3. BootLoader 加载操作系统到内存

4. BootLoader 将 CPU 控制权交给操作系统

核心机制

操作系统通过三个基本机制与设备和应用程序交互：

1. 系统调用：应用程序向操作系统发出服务请求。

2. 异常：因非法指令或内存出错等问题，由不良的应用程序触发。

3. 中断：硬件设备（如计时器、网络）主动发送的信号。

为什么应用程序不能直接操作外设？

• 操作系统是被信任的第三方，确保系统的安全性和可靠性。

• 只有内核能够执行特权指令。

• 为简化应用程序开发，操作系统提供一致、简单的接口。

三大机制的特点

中断处理流程

硬件部分：

1. 设置中断标记。

2. 设置中断事件的 ID。

软件部分：

1. 保存当前处理状态（便于后续恢复）。

2. 执行中断服务程序。

3. 清除中断标记。

4. 恢复之前保存的处理状态。

异常处理流程

1. 设置异常编号。

2. 保存现场。

3. 异常处理（杀死产生异常的程序或重新执行异常指令）。

4. 恢复现场。

系统调用

操作系统通过 系统调用接口（System Call Interface） 向应用程序提供服务。例如，C 语言的 printf() 调用底层的系统调用 write()。

应用程序通过 高层次 API（如 Windows 的 Win32 API 或 JVM 的 Java API）间接发起系统调用，触发从 用户态 到 内核态 的转换：

• 用户态：特权级较低，无法访问特权指令和 I/O。

• 内核态：可以执行特权指令和访问 I/O。

这种状态划分确保了系统的安全性与可靠性。

三大机制跨域系统边界

三大核心机制均涉及应用程序和操作系统的边界切换，这会带来额外开销：

• 建立中断、异常、系统调用号与服务例程映射关系的初始化开销。

• 内核堆栈的创建与切换开销。

• 参数安全性验证的时间开销。

• 地址空间的映射与权限更新开销。

尽管存在这些开销，它们是保障操作系统安全性和可靠性的必要代价。

总结

操作系统的启动从硬件初始化到加载内核，再到运行应用程序，体现了硬件和软件的紧密协作。通过系统调用、异常和中断三大核心机制，操作系统与应用程序及硬件设备高效交互，确保系统的安全性、稳定性和易用性。同时，这些机制虽然增加了边界切换的开销，但其设计原则和实现方法在计算机系统中具有不可替代的价值。