运行机制
什么是机器指令？
能够让CPU直接识别，执行的指令就是机器指令。因为CPU只认识0和1，所以机器指令是由）01组成的指令集。
程序代码怎样转化成机器指令的？
程序代码是通过编译器，进过一下四个步骤形成最终二进制可执行文件：
- 预处理：程序经过CPP预处理器，删除注释，删除define，展开宏定义，添加行号，文件名标识等一些列操作，形成一个.i文件。
- 编译：把预处理完成的.i文件，进行词法分析、语法分析、语义分析以及优化后产生汇编代码文件.asm。
- 汇编： 编译器把汇编代码转化为CPU可以执行的二进制机器指令模块.o文件。
- 链接：程序代码的各个引用模块是独立地编译的，将各模块“组装”起来，这个过程就是链接，链接形成最后的CPU可执行文件。（例如windows下的.exe文件）
所谓宏，就是一些命令组织在一起，作为一个单独命令完成一个特定任务。
机器指令的分类
操作系统将机器指令分为，特权指令（不允许用户程序使用指令），和非特权指令。
CPU作为计算机的大脑，用执行机器指令的方式支配计算机内/外部设备。一些非常危险的指令是不允许用户直接使用的，如内存清零指令。
为了在不同的情况下运行分别运行两种指令，操作系统又把CPU分为两种状态：用户态（此时cpu只能执行非特权指令）和核心态（特权和非特权指令都可以执行）。
操作系统内核
CPU用户态下运行应用程序。
CPU内核态下运行内核程序。
应用程序完成一次完整的设备调用的步奏：
- 应用程序首先，利用操作系统提供的库函数，进行系统调用(执行陷入指令)，请求操作系统的内核服务，CPU从用户态切换到内核态。
- 内核程序，调用用硬件驱动程序操作硬件设备，完成以后利用中断处理程序，将CPU内核态再切回用户态。
内核程序
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本，最核心的部分。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
内核程序功能主要包括两个方面
- 系统调度管理：时钟管理，中断处理，原语。
- 系统资源管理，进程管理，内存管理，存储管理，设备管理。
原语:是一种特殊的程序，其执行具有原子性(设备驱动，CPU切换),要么不执行，要么一次性执行完毕中间不能中断。类似宏的概念。
中断和异常
CPU用户态和核心态是怎样切换实现的呢？答案是中断。
由于操作系统管理工作，比如进程切换，分配I/O设备等，都需要特权指令，因此CPU需要从用户态转为核心态，中断可以使CPU从用户态切换为内核态，使操作系统获得计算机的控制权。
中断分类
中断可以分为内中断和外中断两种类型。
- 内中断：应用程序进行系统调用，硬件故障（比如内存缺页），软件故障（比如整数除0）等引起的中断。
- 外中断：比如I/O设备完成，发出的中断信号，用户强行kill一个进程。
按照中断信号来源于区分
- CPU内部，与当前指令执行相关的就是内中断，
- 来自于CPU外部，与当前指令执行无关的就是外中断。
一个完整外中断处理步骤:
- CPU在用户态下，依次执行机器指令，每次执行完一个指令以后，CPU都要检查是否有外部中断信号。
- 如果检测到外部中断信号，在从用户态切换到核心态之前，需要保护被中断进程运行的上下文环境。
- 根据中断信号，转入相应操作系统中断处理程序，处理中断，CPU从用户态切换到核心态执行系统调用。
- 完成处理以后，需要恢复中断进程的CPU环境，运行现场。然后从核心态转到用户态，切回原来进程继续往下执行。
系统调用
操作系统作为用户和计算机硬件之间的中间层，需要向上层的用户和应用程序提供一些简单易用的服务接口；主要包括命令接口和程序接口。
用户可以直接通过终端（terminal）输入命令（cd，cat，netstat，ps，df等 ），直接完成系统调用；还可以通过编写应用程序调用操作系统提供的程序接口（open(…),write(…)），完成系统调用。
“系统调用” 是操作系统提供给应用程序使用的一组接口，是一种可供应用程序调用的特殊函数；应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。计算机中的各种共享资源都由操作系统统一管理，用户程序想要操作系统资源，例如文件管理，必须通过系统调用的方式向操作系统发出服务请求，由操作系统代为完成。保证系统的稳定和安全性，防止用户非法操作。
需要注意的是操作系统提供的系统调用，并不是我们通常编写程序时所使用的库函数。为了降低编程的复杂度，现代高级语言一般会把相应的系统调用封装成库函数，方便程序员使用。
应用程序执行一个系统调用的完整步骤：
- 传递系统调用参数，例如write(参数)
- 执行陷入指令，中断操作（CPU从用户态向核心态切换）
- CPU进入核心态， 执行系统调用相应的服务程序
- 执行完毕，中断，从核心态向用户态切换，返回用户程序