启动、中断、异常和系统调用

操作系统

BIOS

BIOS v.s. CMOS

• BIOS与CMOS的关系
  CMOS是存储元件，存储BIOS的配置信息。在BIOS程序引导计算机启动后，计算机需要载入CMOS中的用户信息和常规设置后才能正常使用。UEFI系统则多用NVRAM存储设置。
• BIOS与CMOS的区别
  BIOS是一组设置硬件的电脑程序，保存在主板上的一块EPROM或EEPROM芯片中，里面装有系统的重要信息和设置系统参数的设置程序——BIOS Setup程序；而CMOS为随机存储器（RAM）；BIOS中存储的是程序，而CMOS中存储的是普通信息。
  EEPROM即是我们常用的U盘和各类存储卡，因此我们可以更新BIOS，其内容亦能在断电后保存。
  CMOS RAM的内容在断电会消失。所以，把主板的电池拆出，便可重置其内容（包括时间）。

现在，BIOS程序和配置都存储在无需加电的Flash芯片中。
https://www.jd.com/phb/zhishi/e0a71c76f0190775.html

计算

CPU初始化状态为16位实模式
CS:IP=0xf000:fff0
CS：代码段寄存器；IP：指令指针寄存器
PC=16*CS+IP（左移4位）
20位地址空间：1MB

功能

• 基本输入输出
  中断调用提供基本I/O功能：字符显示、磁盘扇区读写、检测内存大小、键盘输入（只能在x86的实模式下访问）
  系统设置信息
  开启自检程序
  系统自启动程序

过程

• BIOS
  BIOS初始化-->从磁盘的引导扇区加载程序512字节-->跳转到CS:IP（初始执行程序）
• 加载程序
  识别操作系统-->将操作系统的代码和数据从硬盘加载到内存中-->跳转到操作系统的起始地址
• 系统内核代码

系统启动过程

启动过程

• CPU初始化找到第一条指令
• 系统加电BIOS初始化硬件
  硬件自检POST
  检测内存显卡等关键部件的存在和工作状态
  执行接口卡BIOS程序实现设备初始化
  执行系统BIOS系统检测
  更新CMOS扩展系统配置数据ESCD
  按启动顺序启动
• BIOS读取主引导记录
  启动代码446字节：检查分区正确性，加载跳转到磁盘的引导程序。
  硬盘分区表64字节：描述分区状态和位置，每个分区占16字节。
  结束标志字2字节：主引导记录的有效标志。
• 主引导扇区代码读取活动分区的引导扇区代码
• 引导扇区代码读取文件系统的加载程序（bootloader）
  加载程序：从文件系统中读取启动配置信息
  启动菜单：可选的操作系统内核列表和加载参数
  操作系统内核：依据配置加载指定内核并跳转到内核执行

启动规范

• BIOS
  固化到主板的程序
  包括系统配置、自检程序和系统自启动程序
  BIOS-MBR、BIOS--GPT、PXE
• UEFI
  所有平台一直的操作系统启动服务

BIOS v.s. UEFI:
https://www.happyassassin.net/2014/01/25/uefi-boot-how-does-that-actually-work-then/
https://blog.woodelf.org/2014/05/28/uefi-boot-how-it-works.html

中断、异常和系统调用

系统调用

主动服务请求
- API
Win32 API、POSIX API、Java API
- 实现
每个系统调用对应一个系统调用号。
系统调用接口调用内核态中的系统调用功能实现，并返回系统调用的状态和结果。
用户不需要知道系统调用的实现。
- 系统调用 vs 函数调用
系统调用：INT IRET指令，系统调用时，堆栈切换和特权级的转换
函数调用：CALL和RET常规调用，没有堆栈切换。

异常

非法指令或其他原因导致执行指令失败。
处理：编译器软件现场保存，服务例程中断服务处理，清除中断标记，现场恢复。

中断

硬件设备处理请求：依据内部或外部事件设置中断标志，依据中断向量调用相应中断服务例程。
中断嵌套
硬件中断/异常服务例程可被打断，异常服务例程可嵌套（缺页）。

开销

超过函数调用
开销：
引导机制、建立内核堆栈、验证参数、内核态映射到用户态的地址空间、内核态独立地址空间