基本概念与原理
睡不醒的鲤鱼 2021-05-21 操作系统 uCore
# 一、基本概念
系统调用（system call）：应用程序 主动 向操作系统发出的服务请求。
异常（exception）：非法指令或者其他原因导致 当前指令执行失败（如：内存出错）后的处理请求。
中断（hardware interrupt）：来自硬件设备（外设，device）的处理请求或系统调佣。
# 二、为什么需要中断、异常和系统调用？
- OS 内核是被信任的第三方
- OS 内核可以执行特权指令，管理硬件
- OS 内核提供了各种 Service
# 2.1 中断希望解决的问题
Q： 当外设连接计算机时，会出现什么现象？
A： 当外设连接计算机时，需要计算机来管理和控制外设，包括显示器、显卡、键盘鼠标等。如果没有中断，CPU 就需要不停地查询这些外设的状态，开销过大，中断机制可以提升和外设交互的效率。
# 2.2 异常希望解决的问题
Q： 当应用程序处理意想不到的行为时，会出现什么现象？
A： 当应用程序处理意想不到的行为，比如除零错误、访问异常地址时，操作系统会进行接管，对有问题的应用程序进行相应的惩罚。比如让应用程序退出，也可以把应用程序的执行状态保存下来，通常用于调试问题。
# 2.3 系统调用希望解决的问题
Q： 用户应用程序是如何得到系统服务？
A： 操作系统提供了各种各样的服务，比如文件访问、I/O、网络等，如果让应用程序实现这些服务过于复杂，而当操作系统实现了这些服务之后，应用程序只需要提供一些简单的系统调用的访问请求，就可以得到相应的服务了。
# 三、源头、响应方式和处理机制
# 3.1 源头
- 中断：外部中断来源于 外设，也叫 “硬中断”；内部中断来源于 系统调用，也叫 “软中断”；
- 异常：来源于 应用程序 意想不到的行为；
- 系统调用：来源于 应用程序 请求 OS 服务（通过函数库发出系统调用请求）。
# 3.2 响应方式
- 中断：异步，外设和应用程序所用的 CPU 是并行执行的，外设可以在 任意时刻 产生一个中断，来打断应用程序；
- 异常：同步，应用程序执行到某一阶段，代码执行错误；
- 系统调用：异步或同步，同步在执行系统调用时会阻塞至完成，异步会直接返回，在执行完成后打断应用程序并继续执行。
# 3.3 处理机制
- 中断：中断会持续产生，所有对于中断的处理，操作系统都会在硬件的支持下完成，对应用程序透明；
- 异常：将应用程序杀死 或者 重新执行异常指令（如 page fault）；
- 系统调用：系统调用有一个 等待 的过程，同时也会 持续 产生，系统调用可以再产生系统调用。