中國科學(xué)院大學(xué)操作系統(tǒng)考試思考題答案

1、1.為什么計(jì)算機(jī)啟動(dòng)最開始的時(shí)候執(zhí)行的是BIOS代碼而不是操作系統(tǒng)自身的代碼？答：通常我們用C語言寫的用戶程序，必須在操作系統(tǒng)的平臺(tái)上執(zhí)行，即操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序創(chuàng)建進(jìn)程并把應(yīng)用程序的可執(zhí)行代碼加載到內(nèi)存。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，操作系統(tǒng)并沒有在內(nèi)存中，我們首先要把操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存，而這個(gè)工作最開始的部分，就是由bios程序來實(shí)現(xiàn)的。所以計(jì)算機(jī)啟動(dòng)最開始執(zhí)行的是bios代碼2.為什么BIOS只加載了一個(gè)扇區(qū)，后續(xù)扇區(qū)卻是由bootsect代碼

2、加載？為什么BIOS沒有把所有需要加載的扇區(qū)都加載？答：對BIOS而言，“約定”在接到啟動(dòng)操作系統(tǒng)的命令后，“定位識(shí)別”只從啟動(dòng)扇區(qū)把代碼加載到0x7c00這個(gè)位置。后續(xù)扇區(qū)則由bootsect代碼加載，這些代碼由編寫系統(tǒng)的用戶負(fù)責(zé)，與BIOS無關(guān)。這樣構(gòu)建的好處是站在整個(gè)體系的高度，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和統(tǒng)一安排，簡單而有效。BIOS和操作系統(tǒng)的開發(fā)都可以遵循這一約定，靈活地進(jìn)行各自的設(shè)計(jì)。例如，BIOS可以不用知道內(nèi)核鏡像的大小以及其在軟盤的分

3、布等等信息，減輕了BIOS程序的復(fù)雜度，降低了硬件上的開銷。而操作系統(tǒng)的開發(fā)者也可以按照自己的意愿，內(nèi)存的規(guī)劃，等等都更為靈活。另外，如果要使用BIOS進(jìn)行加載，而且加載完成之后再執(zhí)行，則需要很長的時(shí)間，因此Linux采用的是邊執(zhí)行邊加載的方法。3.為什么BIOS把bootsect加載到0x07c00，而不是0x00000？加載后又馬上挪到0x90000處，是何道理？為什么不一次加載到位？答：因?yàn)锽IOS首先會(huì)把中斷向量表加載到0x00

4、0000x003ff的1KB的內(nèi)存空間，在加載bootsect時(shí)約定加載到0x07c00處，符合內(nèi)存布局，如下。加載之后挪到0x90000處的原因如下：首先內(nèi)核會(huì)使用啟動(dòng)扇區(qū)中的一些數(shù)據(jù)，如第508、509字節(jié)處的ROOT_DEV；其次，依據(jù)系統(tǒng)對內(nèi)存的規(guī)劃，內(nèi)核占用0x0000開始的空間，因此0x7c00可能會(huì)被覆蓋。因?yàn)榧虞d到0x07c00是BIOS約定好的，操作系統(tǒng)只能遵守這個(gè)約定。4.bootsect、setup、head程序之

5、間是怎么銜接的？給出代碼證據(jù)。答：bootsect首先利用int0x13中斷分別加載setup程序及system模塊，待行，需要借助BIOS分別加載bootsect、setup及system模塊，然后利用這3個(gè)程序來完成內(nèi)存規(guī)劃、建立IDT和GDT、設(shè)置分頁機(jī)制等等，并實(shí)現(xiàn)從開機(jī)時(shí)的16位實(shí)模式到main函數(shù)執(zhí)行需要的32位保護(hù)模式之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)計(jì)算機(jī)處在32位的保護(hù)模式狀態(tài)下時(shí)，調(diào)用main的條件才算準(zhǔn)備完畢。9.為什么不用call，

6、而是用ret“調(diào)用”main函數(shù)？畫出調(diào)用路線圖，給出代碼證據(jù)。答：CALL指令會(huì)將EIP的值自動(dòng)壓棧，保護(hù)返回現(xiàn)場，然后執(zhí)行被調(diào)函數(shù)，檔執(zhí)行到被調(diào)函數(shù)的ret指令時(shí)，自動(dòng)出棧給EIP并還原現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行CALL的下一行指令。在由head程序向main函數(shù)跳轉(zhuǎn)時(shí)，是不需要main函數(shù)返回的；同時(shí)由于main函數(shù)已經(jīng)是最底層的函數(shù)了，沒有更底層的支撐函數(shù)支持其返回。所以要達(dá)到既調(diào)用main又不需返回，就不采用call而是選擇了ret“調(diào)用

7、”了。調(diào)用線路圖見P42圖146。代碼如下：（見P36最下面）setup_paging：…ret10.保護(hù)模式的“保護(hù)”體現(xiàn)在哪里？答：打開了保護(hù)模式后，CPU的尋址模式發(fā)生了變化，需要依賴于GDT去獲取代碼或數(shù)據(jù)段的基址。從GDT可以看出，保護(hù)模式除了段基址外，還有段限長，這樣相當(dāng)于增加了一個(gè)段位寄存器。既有效地防止了對代碼或數(shù)據(jù)段的覆蓋，又防止了代碼段自身的訪問超限，明顯增強(qiáng)了保護(hù)作用。同時(shí)，保護(hù)模式中特權(quán)級(jí)的引入對于操作系統(tǒng)內(nèi)核提

8、供了強(qiáng)有力的保護(hù)。Intel從硬件上禁止低特權(quán)級(jí)代碼段使用一些關(guān)鍵性指令，還提供了機(jī)會(huì)允許操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通過一些特權(quán)級(jí)的設(shè)置，禁止用戶進(jìn)程使用cli、sti等對掌控局面至關(guān)重要的指令。有了這些基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)可以把內(nèi)核設(shè)計(jì)成最高特權(quán)級(jí)，把用戶進(jìn)程設(shè)計(jì)成最低特權(quán)級(jí)。這樣，操作系統(tǒng)可以訪問GDT、LDT、TR，而GDT、LDT是邏輯地址形成線性地址的關(guān)鍵，因此操作系統(tǒng)可以掌控線性地址。物理地址是由內(nèi)核將線性地址轉(zhuǎn)換而成的，所以操作系統(tǒng)可以訪問