運行機制
什麼是機器指令？
能夠讓CPU直接識別，執行的指令就是機器指令。因爲CPU只認識0和1，所以機器指令是由）01組成的指令集。
程序代碼怎樣轉化成機器指令的？
程序代碼是通過編譯器，進過一下四個步驟形成最終二進制可執行文件：
- 預處理：程序經過CPP預處理器，刪除註釋，刪除define，展開宏定義，添加行號，文件名標識等一些列操作，形成一個.i文件。
- 編譯：把預處理完成的.i文件，進行詞法分析、語法分析、語義分析以及優化後產生彙編代碼文件.asm。
- 彙編： 編譯器把彙編代碼轉化爲CPU可以執行的二進制機器指令模塊.o文件。
- 鏈接：程序代碼的各個引用模塊是獨立地編譯的，將各模塊“組裝”起來，這個過程就是鏈接，鏈接形成最後的CPU可執行文件。（例如windows下的.exe文件）
所謂宏，就是一些命令組織在一起，作爲一個單獨命令完成一個特定任務。
機器指令的分類
操作系統將機器指令分爲，特權指令（不允許用戶程序使用指令），和非特權指令。
CPU作爲計算機的大腦，用執行機器指令的方式支配計算機內/外部設備。一些非常危險的指令是不允許用戶直接使用的，如內存清零指令。
爲了在不同的情況下運行分別運行兩種指令，操作系統又把CPU分爲兩種狀態：用戶態（此時cpu只能執行非特權指令）和核心態（特權和非特權指令都可以執行）。
操作系統內核
CPU用戶態下運行應用程序。
CPU內核態下運行內核程序。
應用程序完成一次完整的設備調用的步奏：
- 應用程序首先，利用操作系統提供的庫函數，進行系統調用(執行陷入指令)，請求操作系統的內核服務，CPU從用戶態切換到內核態。
- 內核程序，調用用硬件驅動程序操作硬件設備，完成以後利用中斷處理程序，將CPU內核態再切回用戶態。
內核程序
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那些程序就是內核程序。
內核程序功能主要包括兩個方面
- 系統調度管理：時鐘管理，中斷處理，原語。
- 系統資源管理，進程管理，內存管理，存儲管理，設備管理。
原語:是一種特殊的程序，其執行具有原子性(設備驅動，CPU切換),要麼不執行，要麼一次性執行完畢中間不能中斷。類似宏的概念。
中斷和異常
CPU用戶態和核心態是怎樣切換實現的呢？答案是中斷。
由於操作系統管理工作，比如進程切換，分配I/O設備等，都需要特權指令，因此CPU需要從用戶態轉爲核心態，中斷可以使CPU從用戶態切換爲內核態，使操作系統獲得計算機的控制權。
中斷分類
中斷可以分爲內中斷和外中斷兩種類型。
- 內中斷：應用程序進行系統調用，硬件故障（比如內存缺頁），軟件故障（比如整數除0）等引起的中斷。
- 外中斷：比如I/O設備完成，發出的中斷信號，用戶強行kill一個進程。
按照中斷信號來源於區分
- CPU內部，與當前指令執行相關的就是內中斷，
- 來自於CPU外部，與當前指令執行無關的就是外中斷。
一個完整外中斷處理步驟:
- CPU在用戶態下，依次執行機器指令，每次執行完一個指令以後，CPU都要檢查是否有外部中斷信號。
- 如果檢測到外部中斷信號，在從用戶態切換到核心態之前，需要保護被中斷進程運行的上下文環境。
- 根據中斷信號，轉入相應操作系統中斷處理程序，處理中斷，CPU從用戶態切換到核心態執行系統調用。
- 完成處理以後，需要恢復中斷進程的CPU環境，運行現場。然後從核心態轉到用戶態，切回原來進程繼續往下執行。
系統調用
操作系統作爲用戶和計算機硬件之間的中間層，需要向上層的用戶和應用程序提供一些簡單易用的服務接口；主要包括命令接口和程序接口。
用戶可以直接通過終端（terminal）輸入命令（cd，cat，netstat，ps，df等 ），直接完成系統調用；還可以通過編寫應用程序調用操作系統提供的程序接口（open(…),write(…)），完成系統調用。
“系統調用” 是操作系統提供給應用程序使用的一組接口，是一種可供應用程序調用的特殊函數；應用程序可以發出系統調用請求來獲得操作系統的服務。計算機中的各種共享資源都由操作系統統一管理，用戶程序想要操作系統資源，例如文件管理，必須通過系統調用的方式向操作系統發出服務請求，由操作系統代爲完成。保證系統的穩定和安全性，防止用戶非法操作。
需要注意的是操作系統提供的系統調用，並不是我們通常編寫程序時所使用的庫函數。爲了降低編程的複雜度，現代高級語言一般會把相應的系統調用封裝成庫函數，方便程序員使用。
應用程序執行一個系統調用的完整步驟：
- 傳遞系統調用參數，例如write(參數)
- 執行陷入指令，中斷操作（CPU從用戶態向核心態切換）
- CPU進入核心態， 執行系統調用相應的服務程序
- 執行完畢，中斷，從核心態向用戶態切換，返回用戶程序