（1）操作系统
一.内核态vs用户态：
(1)cpu有两种状态：”内核态“和”用户态“
（1）处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
（2）处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
cpu怎么判断出指令的类型的？
CPU 判断指令类型的过程主要依赖于 指令解码（Instruction Decoding），其核心是通过解析指令的二进制编码来识别操作类型和操作数。例如：
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操作码
ADD可能对应二进制000001，JUMP对应010101。
cpu能判断出指令的类型，但是如何区分此时运行的程序是内核程序还是用户程序？
拓展：cpu中有一个寄存器叫做程序状态寄存器（psw），其中有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态。
别名：内核态=核心态=管态；用户态=目态
(2)用户态和内核态的切换
- 刚开机时，cpu为”内核态“，操作系统内核程序先上cpu运行
- 开机完成后，用户可以启动某个应用程序
- 操作系统内核程序在合适的时候让出cpu，让该应用程序上CPU运行----操作系统内核在让出CPU之前，会用一条特权指令把psw的标志位设置为“用户态’
- 应用程序运行在"用户态"
- 此时，如果一个猥琐黑客在应用程序中植入了一条特权指令，企图破坏系统
- CPU接下来要执行的这条指令是特权指令，但是自己又处于”用户态“
- 这个非法事件会引发一个中断----CPU检测到中断时，会立即变为”核心态‘，并且停止运行当前的应用程序，转而运行处理中断信号的内核程序。
- 中断会使操作系统再一次夺回CPU的控制权。
- 操作系统会对引起的中断的事件进行处理，处理完了把CPU使用权交给别的应用程序。
用户态与内核态的切换通过硬件中断、系统调用或异常触发，依赖 CPU 的上下文保存/恢复机制和操作系统的中断处理逻辑。这一过程确保了系统资源的安全访问和高效管理，是现代操作系统的核心基础之一。
内核态----用户态：一条psw的特权指令
用户态---内核态：由中断引起，硬件自动完成
二、中断和异常：
1.中断的分类
1. 硬件中断（外部中断）
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触发源：由硬件设备发起（如键盘、磁盘、网卡）。
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类型：
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可屏蔽中断（Maskable Interrupt）：可通过CPU标志位（如x86的IF位）暂时屏蔽（如网络数据包处理）。
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不可屏蔽中断（NMI）：必须立即处理（如硬件故障、内存校验错误）。
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2. 软件中断（内部中断）
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触发源：由程序执行特定指令或发生异常引发。
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异常（Exception）：CPU执行指令时的错误或特殊状态（如缺页异常、除零错误）。
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系统调用（System Call）：用户程序主动请求内核服务（如文件读写）。
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-----执行”陷入指令“，陷入：程序故意引发的，特殊的指令，程序主动把CPU的特权还给操作系统
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陷入指令=trap指令=访管指令
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3、中断与陷阱（Trap）的区别
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特性 中断（Interrupt） 陷阱（Trap） 触发时机 异步（随时发生） 同步（由程序执行触发） 典型场景 硬件事件（如时钟中断） 系统调用、断点调试 返回行为 通常返回到中断后的下一条指令 可能修改程序流程（如异常处理）
三、系统调用：
1.什么是系统调用：
系统调用（System Call） 是操作系统内核提供给用户程序（应用程序）的接口，允许程序通过内核访问计算机的底层硬件和资源（如文件、网络、进程、内存等）。它是用户程序与操作系统之间的桥梁。
为什么需要系统调用？
操作系统需要管理和保护硬件资源，避免用户程序直接操作硬件可能导致的冲突或安全问题。例如：
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程序无法直接读写磁盘，必须通过系统调用请求内核代为操作。
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程序无法直接创建新进程，需通过系统调用委托内核完成。
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程序如果并发执行，需要系统调用解决冲突问题，并且因为资源是有限的，所以需要共享，为了解决冲突问题，需要系统调用。
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2.系统调用的过程：
易错：
（1）传参指令 -->陷入指令”用户态“（会内引发中断）->”内核态“ 其他指令
（2）发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行
想象场景
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你：用户程序（比如一个App）。
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服务员：系统调用接口。
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厨房：操作系统内核（唯一能直接操作硬件的地方）。
你想点一份炸鸡（比如想读取文件），但你不能直接进厨房炸鸡，必须通过服务员下单。
系统调用的具体步骤
1. 你下单：发起系统调用请求
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用户程序：调用一个函数（比如
read()读取文件）。 -
就像：你在手机App里点击“下单炸鸡”。
2. 服务员接单：切换到内核态
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CPU切换模式：从用户态（普通权限）切换到内核态（最高权限）。
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就像：服务员收到订单后，拿着你的需求进入厨房（只有厨房有设备和权限做炸鸡）。
3. 厨房处理：内核执行操作
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内核：根据你的请求类型（比如系统调用号
SYS_read），操作硬件（比如从硬盘读取文件）。 -
就像：厨房根据订单开始炸鸡，用油锅（硬件）加工食材。
4. 服务员返回：切换回用户态
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内核完成操作：把结果（比如文件内容）返回给用户程序。
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CPU切换回用户态：退出内核态，恢复用户程序的执行。
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就像：服务员把炸鸡打包好，从厨房出来交给你，然后继续处理其他顾客需求。
5. 你收到结果：用户程序继续运行
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用户程序：拿到数据后继续执行后续代码。
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就像：你拿到炸鸡开始吃，继续玩手机。
关键点
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为什么不能直接进厨房？
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安全！如果每个顾客都能随便用油锅，厨房会着火（系统崩溃）。
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统一管理：服务员（内核）确保订单按顺序处理，避免冲突。
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服务员怎么知道你要炸鸡还是汉堡？
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系统调用号：每个操作有唯一编号（比如
SYS_read是读文件，SYS_write是写文件）。 -
如果厨房忙不过来？
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内核可能会让程序等待（比如读取大文件时需要时间）。
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总结：
系统调用就是用户程序“使唤”操作系统的标准化流程：
提需求 → 内核干活 → 返回结果。
全程不用碰硬件，既安全又省心！
四：操作系统的体系结构：
补充知识点：
（1）原语：
（Primitive） 是操作系统或编程中不可分割的基本操作，可以理解为“原子操作”——要么完整执行，要么完全不执行，不会被其他操作打断。它是构建复杂逻辑的“基石”。
为什么需要原语？
在并发场景（如多线程、多进程）中，如果操作能被中途打断，可能导致数据不一致或系统错误。例如：
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转账操作：从账户A扣款 → 向账户B加款，如果中途被打断，可能导致钱凭空消失。
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原语的作用：确保这类操作像“瞬间完成”，避免中间状态暴露给其他进程。
原语的典型特征
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原子性（Atomicity）：执行过程不可中断。
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底层性：通常由硬件或操作系统直接支持。
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不可再分：无法拆解为更小的操作。
（2）内核：
操作系统内核（Kernel） 是操作系统的核心组件，直接运行在硬件之上，负责管理系统资源（如CPU、内存、设备）并为应用程序提供基础服务。它是计算机系统的“大脑”，决定了操作系统的性能、安全性和稳定性。
大内核（宏内核）与微内核的区别
大内核和微内核是操作系统设计的两种核心架构，区别主要在于功能集成度、模块通信方式和设计哲学。以下是通俗易懂的对比：
1. 核心思想
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大内核（如Linux）：
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“全家桶”模式：所有核心功能（文件系统、驱动、网络协议等）都塞进内核。
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直接通信：模块间通过函数调用直接交互，效率高。
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微内核（如QNX）：
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“极简核心”模式：内核仅保留基础功能（进程调度、内存管理），其他功能作为用户态服务。
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消息传递：模块间通过消息通信，隔离性强但开销大。
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2. 直观对比表
| 对比维度 | 大内核 | 微内核 |
|---|---|---|
| 内核大小 | 庞大，包含所有核心功能 | 极小，仅基础功能 |
| 性能 | 高（直接调用，无上下文切换） | 较低（消息传递需切换用户/内核态） |
| 稳定性 | 低（一个模块崩溃可能导致全崩） | 高（服务崩溃不影响内核） |
| 扩展性 | 差（需修改内核代码） | 优（动态加载用户态服务） |
| 适用场景 | 通用系统（如服务器、桌面） | 高可靠系统（如航天、车载） |
| 代表系统 | Linux、传统UNIX | QNX、鸿蒙LiteOS、Minix |
3. 通俗比喻
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大内核：
像一家大型工厂，所有车间（文件系统、驱动）都在同一厂房内。-
优点：车间协作快，生产效率高。
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缺点：火灾（Bug）可能蔓延全厂。
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微内核：
像总部+外包团队，总部只做核心决策（调度、通信），其他工作外包给独立团队。-
优点：外包团队着火不影响总部。
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缺点：沟通（消息传递）效率低。
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4. 典型场景
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选大内核：
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需要极致性能的场景（如高性能计算、游戏服务器）。
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开发者愿意为效率牺牲部分稳定性。
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选微内核：
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要求高可靠性的场景（如汽车控制系统、航天器）。
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系统需频繁更新服务而不重启内核。
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5. 混合内核（如Windows、macOS）
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折中设计：部分核心功能在内核态（如驱动），部分在用户态（如文件系统）。
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特点：平衡性能与安全性，但复杂度较高。
6. 一句话总结
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大内核：功能多、跑得快，但一崩全崩。
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微内核：功能少、更安全，但沟通费劲，状态转换太麻烦。
实际应用：你的手机（如Android基于Linux大内核）和汽车中控（如QNX微内核）可能同时用到了这两种设计
3.分层结构：
内层分多层，每层单向调用更低一层提供的接口
优点：
（1）.便于调试和验证，自低向上逐层调试验证
（2）.易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定
缺点：
（1）.只能调用相邻底层，难以合理定义各层的边界
（2）.效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间延长
4.模块化：
将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。
内核=主模块+可加载内核模块
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核
优点：
- 模块之间逻辑权限易于维护，确定模块间接口后即可以多模块同时开发。
- 支持动态加载新的模块
- 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用信息传递进行通信，效率高。
缺点：
- 模块间的定义未必合理、实用
- 模块间相互依赖，更难调试和验证
5.外核
外核模式（Exokernel） 是一种操作系统内核设计架构，其核心思想是最小化内核功能，仅负责硬件资源的安全隔离与保护，而将资源管理的具体策略交给用户态应用程序。它是为了突破传统操作系统内核的抽象限制，允许应用程序更直接、灵活地控制硬件资源而提出的设计理念。
通俗比喻
将操作系统内核比作**“房东”，应用程序是“租户”**：
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传统内核（如Linux）：房东不仅分配房间，还规定租户如何使用水电、家具（资源抽象为文件、进程等）。
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外核模式：房东只保证房间之间的隔离和安全（防止租户互相干扰），水电和家具的使用方式完全由租户自己决定。
外核的优点
- 1. 极致性能：减少内核抽象层，应用程序可直接优化硬件操作（如网络包处理、数据库存储）。
- 2. 高度定制化：不同应用可采用最适合自身资源管理策略（例如实时系统自定义调度算法）。
- 3. 安全隔离：外核确保资源边界，防止应用间互相干扰。
外核的缺点
- 1. 开发难度大：应用程序需自行实现传统内核提供的功能（如内存管理、文件系统）。
- 2. 兼容性差：难以直接运行依赖标准操作系统抽象的程序（需重写或依赖LibOS）。
- 3. 生态匮乏：实际应用较少，工具链和社区支持不足。
六、操作系统引导：
开机引导：
windows操作系统完整的开机初始化程序在”根目录/windows/Boot“下
