操作系統 |OS的運行機制與體系結構

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本文主要介紹兩部分內容：
1、操作系統如何從加電後啓動到正常運行，然後讓應用程序能夠正常的工作？
2、操作系統如何提供相應的接口，來爲應用提供服務，以及控制外設？這個問題涉及到中斷、異常和系統調用。

一、操作系統的運行機制

OS的啓動過程：計算機未啓動前，操作系統一直存放在硬盤上。計算機加電後，BIOS首先從一個特定的內存地址開始執行一系列自檢，自檢成功後，把Bootloader加載到內存中。進而通過Bootloader將OS加載到內存中，纔可以讓CPU去執行。

簡單來說就是，BIOS負責加載BootLoader，BootLoader負責加載OS。

BIOS，即(Basic Input Output System) 基本IO處理系統)功能：在計算機加載電源後，能夠讓計算機系統開始自檢， 即檢測各種外設。檢測完成後，才能加載相應的軟件進行執行。

• DISK：存放OS。
• BIOS：基本I/O處理系統。
• BootLoader功能：將OS從硬盤加載到內存。

在計算機內存中，一部分內存已經被BIOS佔滿，加電後BIOS首先從一個特定的內存地址(在x86上是0xf000:fff0)開始執行，進而完成一系列工作，包括POST(加電自檢)，當外設都能正常工作，就會把Bootloader加載到內存中。

• 內存地址CS：IP = 0xf000:fff0 (CS:段寄存器，IP：指令寄存器)
• POST：加電自檢，尋找顯卡和執行BIOS。
  

1.1 BIOS加載Bootloader

加電前Bootloader被放在硬盤的第一個主引導扇區，方便BIOS查找。一般硬盤的第一個扇區大小爲512個字節。這意味着bootloader僅有512個字節，就可以完成有趣的功能，最主要的功能就是將OS從硬盤放入內存。

1.2 cpu控制權的轉移

由BIOS到bootloader：當BIOS將bootloader從硬盤放入內存之後，CPU的控制器也隨之移交給bootloader，bootloader接下來會去尋找硬盤起始扇區、硬盤上操作系統的起始扇區、操作系統的長度，將這幾個磁盤塊兒從硬盤讀到內存中。

由bootloader到OS：bootloader的功能完成之後，將CPU的控制權交給OS。

1.3 OS與外設和應用程序交互

OS與外設和應用程序交互是通過interface實現的，面向外設通過中斷與IO處理，面向應用程序通過系統調用和異常提供相應的功能。

interface	來源	定義	處理時間	響應
系統調用	應用程序	應用程序主動向操作系統發出服務請求	異步或同步	等待和持續
異常	應用程序意想不到的行爲	非法指令或其他壞的處理狀態(如：內存出錯)	同步	殺死或重新執行
中斷	外設	來自不同的硬件設備的計時器和網絡的中斷	異步	持續,對用戶應用程序是透明的

爲什麼應用程序不能直接訪問外設，而是由OS來操作？

• 計算機中，內核是被信任的第三方，使用OS操作外設更安全。
• 只有內核可以執行特權指令。
• 爲了方便應用程序。

1.4運行機制的幾個概念

問題1：“指令”與“代碼”有什麼區別？

“指令”就是處理器能識別並執行的最基本的命令，分爲特權指令和非特權指令。

• 特權指令：如內存清零。
• 非特權指令：如普通的運算指令。

問題2：普通用戶是無法使用特權指令的，那麼cpu是如何判斷當前是否可以執行特權指令？

爲此，引入了cpu的兩種狀態：

• 用戶態(目態)：此時cpu只能執行非特權指令。
• 核心態(管態)：特權指令、非特權指令都可以執行。

和心態-->用戶態的切換：使用程序狀態字寄存器(PSW)中的某個標誌位來標識當前處理器處於什麼狀態。如0爲用戶態，1爲核心態。

兩種程序：有的程序需要使用特權指令，有的程序只能使用非特權指令，因此計算機系統將程序分爲內核程序和普通程序。

• 內核程序：內核程序是系統的管理者，既可以執行特權指令，也可以執行非特權指令，運行於核心態。
• 應用程序：爲了保證系統的安全運行，普通應用程序只能執行非特權指令，運行在用戶態。

二、操作系統的體系結構

2.1 OS的內核

操作系統中並不是所有的東西都是核心的、並不是所有的東西都是必須存在的。

• 內核：內核是計算機上配置的底層軟件，是操作系統最基本、最核心的部分。
  實現操作系統內核功能的程序就是內核程序。

2.2 OS的體系結構