操作系统原理复习 第二章 操作系统的硬件基础

支持操作系统的最基本硬件结构：CPU、内存、中断、时钟

CPU的态

CPU的工作状态，对资源和指令使用权限的描述
硬件按“态”来区分CPU的状态，OS按“进程”来区分CPU的状态

• 核态

  • 能够访问所有资源和执行所有指令
  • 管理程序/OS内核

• 用户态

  • 仅能访问部分资源，其他资源受限
  • 用户程序

• 管态

  • 介于核态和用户态之间

用户态和核态之间的转换

• 用户态向核态转换

  • 用户请求OS提供服务
  • 发生中断
  • 用户进程产生错误（内部中断）
  • 用户态企图执行特权指令

• 核态向用户态转换

  • 一般是中断返回：IRET

存储器

• 寄存器
• 高速缓存（CACHE）
• 主存：直接和CPU交换信息——内存
• 辅存：不能直接和CPU交换信息——硬盘、软盘

中断定义

• 指CPU对突发的外部事件的反应过程或机制
• CPU收到外部信号（中断信号）后，停止当前工作，转去处理该外部事件，处理完毕后回到原来工作的中断处（断点）继续原来的工作
• 引起系统中断的时间称为中断源

引入中断的目的

• 实现并发活动
• 实现实时处理
• 故障自动处理

中断类型

• 强迫中断和自愿中断

  • 强迫中断：程序没有预期：例：I/O、外部中断
  • 自愿中断：程序有预期。例：执行访管指令

• 外中断（中断）和内中断（俘获）

  • 外中断：由CPU外部事件引起。例：I/O，外部事情
  • 内中断：由CPU内部事件引起。例：访管中断、程序中断

• 外中断分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断

  • 不可屏蔽中断：中断的原因很紧要，CPU必须响应
  • 可屏蔽中断：中断原因不很紧要，CPU可以不响应

中断响应过程

1. 识别中断源
2. 保护断点
3. 保护现场
4. 进入中断服务程序
5. 恢复现场
6. 中断返回

中断嵌套处理：高优先级打断低优先级中断服务

中断响应的实质

• 交换指令执行地址
• 交换CPU的态
• 现场保护和恢复、参数传递（通信）

基本输入输出系统BIOS

• 显示卡BIOS：C0000-C7FFF

• IDE控制器BIOS：C8000-CBFFF

• 系统BIOS：F0000-FFFFF，大小为64K

  功能：

  • 加电自检及初始化（POST）
  • CMOS设置
  • 系统自举/加载OS
  • 基本I/O服务（BIOS中断）

POST（Power On Self-Test）

按下PowerOn键开始执行POST程序

• POST程序：执行首条指令（FFFF0）：JMP POST；加电自检

  初始化基本硬件（CPU、内存、显卡）

CMOS设置

系统自举/加载OS

开机时加载并运行OS位用户建立用户环境

• 现场引导方式：OS文件存储在本地存储设备
• 下载引导方式：OS文件存储在网络存储设备中

基本I/O服务（BIOS中断）

BIOS使用的中断类型号为10H~1FH，每一组又分为不同的子功能，AH寄存器指定子功能编号。
INT 13H AH=02H 为读扇区

实模式和保护模式

• 实模式

  • 寻址方式：物理地址（20位），可访问1MB空间（0~FFFFFh）
  • CPU单任务运行

• 保护模式

  • 寻址方式：段（16位）和偏移量（32位），寻址4GB
    • 段的新含义和新工作机制
    • 段的属性：起始地址、存取属性、权限…
    • 段页式虚拟内存管理机制(段，页）
    • 新增多个寄存器（GDR,LDR,CR0,CR1,CR2）
  • 虚拟地址，进程，封闭空间
  • 应用程序和操作系统的运行环境都被保护
  • CPU支持多任务

操作系统的启动

从加电到用户工作环境准备好的过程

• 初始引导
• 核心初始化
• 系统初始化

初始引导

目的：把OS内核装入内存并使之开始工作接管计算机系统

• 加电，JUMP POST（FFFF0）

• 跳入BIOS的启动程序

  • 读取0面0道第一扇区内容
  • MBR(Master Boot Record)：主启动记录：引导程序
    （BIOS 从MBR 读入引导程序，装入内存的特定位置）

• 运行引导程序

  • 根据相关参数，读取硬盘指定位置的OS内核到内存
  • 初始化基本参数

• OS内核：逐步加载OS剩余部分，直到最后完全控制计算机

核心初始化

目的：OS内核初始化系统的核心数据

各种寄存器的初始化、存储系统和页表初始化、核心进程构建…

系统初始化

目的：为用户使用系统做准备，使系统处于待命状态

初始化文件系统、初始化网络系统、初始化控制台、初始化图形界面…

MBR（主引导记录、主启动记录）

存放引导代码：OS启动相关的数据和代码，存放在主启动扇区（0面0道第一扇区），大小为512字节（510+AA55h）

• 结构
  • 引导程序
  • 该磁盘的分区表
  • 主引导签名：55AA表示MBR结束

其中分区表的作用记录硬盘分区信息（多个操作系统）。每个分区的第一个扇区叫作分区引导记录(PartitionBoot Record，PBR)，也叫次引导记录，其结构与MBR类似。

• 功能
  • 直接指向引导代码加载OS
  • 提供启动选项菜单
  • 跳转到PBR以加载特定OS BootLoader
• 工作原理
  • 初启过程
    POST$\rightarrow$CMOS设置$\rightarrow$读取MBR$\rightarrow$控制权交给MBR
  • MBR工作
    • MBR读取分区表，查找并确认唯一的活动分区
    • MBR读取活动分区PBR，并加载到内存
  • PBR控制后续引导过程
    • 读OS内核