这份笔记是我在 3 月 23 号至 5 月 13 号，看哈尔滨工业大学的李治军老师讲《操作系统》这门课的视频所记（时间跨度共 52 天，中间陆续花了 24 天在看这个视频，并记录笔记，其余的 28 天因其它一些事而搁置了学习这个课程的进度）。当时主要是想重新复习下操作系统这门非常重要的基础课程，但整个所花费的时间，比我预期的要长不少。
这个课程的视频在 中国大学MOOC 和 B站 上都能找到。在看的过程中，了解到这个视频的录制时间在 2015 年。由于李老师在讲这门课时，把 32 讲的课程内容划分成 4 个类别：操作系统基础、进程与线程、内存管理和设备驱动与文件系统。因此，我也把这份笔记拆成 4 个部分，这是第一部分，操作系统基础。
这份笔记的内容主要由这门课程的 PPT 截图和李治军老师的讲解组成（当时在看视频时，把李老师的一些观点或讲解的内容，记录成文字，用来方便今后回顾）。李老师的这门课，通过结合 Linux 0.11 内核的关键代码来讲解操作性系统中的概念。
这个课程还配套了 8 个实验。李老师在这门课中，多次强调一定要去做这 8 个实验，Learn OS concepts by coding them，只有在实际中动手去做了，才能理解得更深刻，才可以说是真正学明白了操作系统。所以，如果自学的时间够的话，建议去做下这 8 个相关的实验（关于实验部分的内容，在这个笔记的附录中有给出链接）。
此外，学习李老师的这门操作系统课程最好有一些 C 语言（汇编的话，有一些基础更好，前面讲操作系统的启动会涉及较多，后面的课程内容中涉及较少）、计算机组成原理，数据结构的基础。有了这些前置知识后，我认为还要做好啃硬骨头的准备。因为操作系统它本身是一个系统，一些部分的实现较复杂，在学习的过程中需要在头脑中形成清晰的概念。
我想这也是为什么李老师说，只有把那 8 个实验做出来了，才算真的学明白操作系统了。因为只有当你在头脑中有了清晰的概念后，你才能在 Linux 0.11 的内核中进行改动，按照实验要求编写出那些代码。也就是说，如果你能编出来，那么在头脑中肯定对相关内容形成了清晰的概念。
L1 什么是操作系统
建立操作系统的宏观轮廓。
用计算机帮助人们解决一些实际问题。
在计算机硬件之上包了一层软件，让我们使用计算机更加方便，这就是操作系统。
管理网络、电源和多核部分这个课程不讲，我们课程主要讲这 5 个最基本的部分。一旦把这 5 个基本部分弄明白了，一台单CPU的、单机操作系统是如何管理这些硬件的，一个完整的操作系统就建立起来了。有了这个完整的操作系统，再延伸就可以做网络、分布式、多 CPU 等内容。
高级操作系统课程
对于我们这个课程来说的话，就要把一台单 CPU、单机上的计算机操作系统，是如何管理这些基本的硬件，把它讲明白、讲透彻。这就是我们讲课的主要领域。
课程目标：大家能够编写操作系统，如果这个目标太高的话，大家能够改动操作系统，至少能够扩充操作系统。比如说，有个新的设备，你需要给它开发驱动，并且提供向上的接口。
当然还有些学校更狠，贯穿了这三个层次。首先给你一个硬件的板子，你通过硬件手册在上面配一个操作系统，并且适当的提供接口，来提供给上层使用。CMU 就采用这种层次，完全是由一块板子一点点往上搭操作系统，这个要求是非常高的。我们尽量集中在动操作系统，改操作系统。
能改操作系统，要知道操作系统背后发生的事情，更需要知道这些事情是怎么用代码实现的。
8 个实验在课程中反复强调，这 8 个实验大家一定要认真做，做完这 8 个实验后，真正可以做到在操作系统上可以动手开始实践。如果在这 8 个实验的基础上，你再能做一些大型的实际项目，那你就真是达到我们课程的目标了：能够设计操作系统的一些模块，能够改操作系统。
操作系统就是计算机的关键技术，如果你只知道原理，你都不知道计算机内部发生了什么，你怎么能叫理解它的关键技术呢？怎么能叫掌握它的关键技术呢？怎么能叫掌控一个操作系统呢？
我认为虽然课程有些难，确切地说难，但是大家应该努力成为达到这一标准的人才——掌握计算机的关键技术、核心技术。
我们应该跟得上潮流，跟世界去接轨，不敢说超越他们，至少我们在向他们靠近，这我觉得是应该的。
斯坦福怎么学操作系统的呢？他们做四个实验，这四个实验可能现在你们还看不懂，我希望学到后面的时候，你们再回来看看这四个实验。他们这四个实验要动实际操作系统中，四个非常关键的部分，那真是在操作系统里面大动干戈。
那么，如果对操作系统不理解，你不进去它，只是知道一些皮毛的原理，要想动这四个干戈，几乎是完全不可能。所以就是说，斯坦福的学生在学完操作系统后能做到这些，他们对内部一定是非常理解。这些学生将来具有系统的能力，具有控制操作系统的能力，具有控制整个计算机系统的能力，具有设计系统的能力和实现系统的能力。这个能力对计算机行业来说，是非常重要的。
如果没有能够进去操作系统，那么你永远也不能说你具有控制计算机系统的能力。而 CMU 更狠，给你个板子，自己做一个系统出来，非常难，非常复杂。只有经过这样的训练，在计算机行业才能堪当大任，承担系统工作。所以老师觉得，在这门课程中我们有必要深入进去，在操作系统里面明白操作系统背后发生的事情，在操作系统里面真正能够做一些事情。
要知道原理，马上浮现代码；要看到代码，懂得背后的原理所在。要在这两个方面来回的切换。所以，这课程是对编程能力和抽象能力，问题理解和问题求解都要求非常高。大家要打起精神，因为我觉得只有这样做了，你才能真正的明白一个真实的操作系统，明白这样的真实操作系统后，才为将来在系统中能做一些工作、提升自己的系统能力奠定一个基础。当然要做到这一事情，要动手、动脑、要思考。是有一定难度，所以每次在课程中时我都用一句话来激励大家——绝知此事要躬行。
如果没有躬行的态度，没有躬下身来深入到操作系统内部的决心，那你不会学好这门课，你也不能真正去控制，提高自己的系统能力，没有真正的能力去控制一个操作系统。所以大家一定要带躬行的态度去做到这件事情。
而我前面也说了，只有真正深入到操作系统的内部，我们才能建立系统的能力，才能和国际接轨，我们的学生才能够掌握计算机的核心技术，才有机会和国际的同行业的人去进行同等的竞争。从下节课开始，我们就开始一步步地进入系统。
L2 揭开钢琴的盖子
对于我们课程来说，就是要打开操作系统，进入操作系统的内部，来看操作系统到底发生了什么。你只有进入了内部，才能明白操作系统到底是什么，将来才能有能力、有机会在这里面去做一些事情。
这神秘的开机背景的黑色后面到底发生了什么事情？老师认为这是揭开盖子的第一步。而且因为它是打开电脑后看到的第一幅画面，所以从这里开始合情合理。实际上从这个地方，我们安排了一次实验——实验 1，在开机的时候不仅能看到这个画面，我们希望通过程序能控制这个画面。
控制开机的系统，这是实验 1 的内容，在本次课的时候我们会讲一部分如何控制，大家到时候就可以编程序去控制。我们上节课也说过了「绝知此事要躬行」，要自己进去去做操作系统，要 coding them，才有可能把操作系统学得更加深刻，更加有用。
思考要借助于材料，不可能坐着乱想一气，那不叫思考，思考要借助于常识，知识和推理。
计算机是怎么工作的，知道计算机工作的原理，对计算机行业的来说这是最最基本，也是最最重要的常识。这个常识非常重要，知道计算机怎么工作对整个操作系统的理解都是非常重要，很多时候都是从这个最基本的原理开始，一步一步地思索，推理，我们就明白了，oh，最终它就应该是那个样子。
当你把思索中应该的样子再写成程序，那就是操作系统。大家要慢慢去体会刚才老师所说的话。头脑中形成这样的一个思索的过程，那么才能把它变成程序，操作系统才可能编得出来。
计算机是在一个模型下设计出来的，所以这个模型必须得知道，也就是说计算机是计算模型的一种实现。
图灵机，这是非常基础的一个常识。那么图灵是怎么定义这个图灵机的呢？怎么定义这个计算模型的呢？怎么想到的呢？实际上也很自然，他借鉴了人在纸上计算的这一过程，将这个过程模拟出来，那么实际上就是一个计算机。
把计算出 3 + 2 = 5 的这一过程，用一个自动化设备把它模拟出来，用一条纸带来模拟这个纸，用控制器去模拟大脑，用读写头去模拟眼睛和笔。
图灵机还要再一步演化。从图灵机到通用图灵机这也是图灵提出来的，一个非常简单但是也非常伟大的一个推进。
冯 · 诺依曼提出如果能把程序存到内存里，然后把程序载入到控制器里，然后进行解释、执行，之后就可以输出结果。
IP (Instruction pointer)；PC (program counter)
计算机的核心结构就是这样一张图，这张图在我们整个操作系统，整个计算机中是非常非常基本的一个常识。首先把程序放到存储器里，然后用一个指针指向它，接着取指、执行，取指、执行… ，计算机就开始工作，而且取指、执行还是自动的，不断地取指、执行来产生结果。所以计算机是怎么工作的，就四个字「取指执行」。
打开电源，计算机执行的第一句指令是什么：PC = ?
对于 Intel PC 机来说的话，内存中有一部分是固化的，叫 ROM BIOS (Basic Input Output System) 。
引导扇区。
这 512 个字节是什么东西呢？里面写了什么内容呢？做些什么事呢？如果让我写，我能写出来吗？操作系统所有的故事都是从这里开始。
引导扇区的代码是一段汇编代码，为什么要做成一段汇编代码呢？为什么不用 C 写呢？写的 C 程序将来都是要经过编译的，C 程序经过编译以后会产生一些你不知道或没法控制的东西。比如说 C 语言中定义的变量 int i; ，你不能控制变量 i 经编译以后在内存中的哪个位置。
而汇编不一样，汇编中的每一条指令最后都变成了真正的机器指令，所以你可以对它进行完整的控制。而在引导扇区，你当然要对它进行完整的控制，绝对不能有任何出入的控制。实际上在操作系统中有很多这样的控制，所以在操作系统中有很多这样的汇编。这也正好回顾了对应着刚才那句话，操作系统对汇编要求很高。
这个代码稍微略略地讲，因为代码太多了，我们讲些重点就可以了。大家在学习的时候也肯定是掐住重点，因为操作系统代码要是重头看到尾，看到一遍，你肯定最后都不知道在哪里。因为太过于庞杂，所以一定要抓住主线来学习操作系统才可以。
通过我们这个课程，大家就可以抓到操作系统的主线是什么？原理是什么？对应的代码中的主线是什么？骨干是什么？只有这个骨干在头脑中立起来，你才有可能编出操作系统。
把 setup 读进来，再把操作系统的其它部分代码读进来。
更改开机启动时，屏幕上输出的字符，例如 “LiOS is loading”，这就是我们实验 1 的一个部分。还是前面那句话，不 coding 操作系统，不会学会操作系统。
引导扇区的程序执行结束，开始跳到 setup 去执行。
L3 操作系统启动
上一节我们讲了引导扇区，引导扇区是操作系统的第一个部分。
在计算机刚一开始上电的时候，操作系统在硬盘里。而计算机的工作原理是取指执行，要想取指执行就必须得将代码放到内存里。也就是说，只有将代码放到内存里，才能够进行取指执行，才能够让计算机完成我们想要的工作。
刚一开始操作系统在磁盘上，所以要做的第一部分工作就是，一定要把操作系统从磁盘上载入到内存里。不载入到内存里，就没有办法进行取指执行。也就是说，厨师就看不到操作系统的这个菜谱。
bootsect.s ：将磁盘上的操作系统，读入到内存里（分段读）。bootsect.s 之后执行 setup.s 。
实际上开机就做了两件事，第一件事读入操作系统（bootsect.s），第二件事就是 setup，立起来、初始化。只有这样初始化以后，操作系统才能知道硬件长什么样，才能进行管理。
在后面执行起来的时候，操作系统也一直会停留在 0 地址开始处，形成的格局是，在整个内存中从 0 地址开始一直是操作系统，再往上就是一些应用程序，例如 word、ppt、QQ 等。
那么这就是 setup.s 做的一些事情，它挪动下操作系统，让它从内存地址 0 开始，然后获取一些硬件参数，为将来操作系统能立起来，能初始化，能管理硬件做好准备。
那么接下来 setup.s 的其它内容，老师在这里不再说了。大家感兴趣的话可以去看下我们这个课程的辅助教材《Linux内核完全剖析》0.11 版，我们这些代码主要都取自于 Linux 0.11。大家如果感兴趣的话可以拿那本书看下 setup.s 的其它内容，但都不是非常重要。而在我们课程中出现的代码是非常重要的，是整个操作系统的骨干代码。如果能够把课程中的代码全部学清楚，那么，形成的操作系统在脑中的样子就够了。如果把 Linux 0.11源码剖析的那本书配合着去阅读，那就更好。
所以 setup.s 在做完这件事后，接下来就要退出它的舞台了。而操作系统仍继续执行，setup.s 最后又做了这样一件事，也非常重要，就是进入保护模式。
setup.s 在最后的时候执行了这样一条指令 jmpi 0, 8 。这条指令在计算机里面，在整个操作系统里面，在我们的课程里面发挥非常重要的作用。能理解它，可以说对操作系统的认识就有了一定的层次。
从这个地址开始，寻址的方式开始改变，实际上也应该发生改变。这是 setup.s 所做的一件事，也是操作系统要立起来、计算机要立起来，要做的一件很重要的事。
接下来要从 16 位机切换到 32 位机，要切换到 32 位模式，32 位模式也叫保护模式。所以它要切换到保护模式进行工作，前面的 16 位模式已经不能满足需要了，所以在 setup.s 最后要做这样一件事，就是要切换到保护模式，要启动 32 位的寻址方式，这个时候内存就变大了。
cr0 寄存器的最后一位如果是 0，那么就是 16 位模式；如果是 1，那么它就是保护模式，当这个位置置 1 后就导致 CPU 要走另外一条解释执行的电路。而这条解释执行的电路要怎么来解释执行呢？这就是非常著名的概念—— gdt。
gdt (Global Descriptor Table，全局描述表)，cs (选择子) 根据这个 table 选出其中一个表项，根据这个表项产生基址，再和 ip 偏移加在一起来产生 32 位的地址（这时 cs 和 ip 都是 32 位的寄存器，两个 32 位的寄存器加在一起仍是 32 位）。
setup.s 到底做了些什么事呢：
- 读了些硬件参数，为了将来建立操作系统来打下基础；
- 把 system 模块挪动一下，挪到 0x0000 地址处，将来操作系统的核心代码就一直存在那里；
- 启动了保护模式，应用了一条高级指令，32 位的汇编指令，用这条指令跳到了 0 地址处去执行。
BIOS 读 bootsect.s，bootsect.s 读 setup.s，setup.s 读 System 模块第一部分。这几个步骤要顺利执行，只要中途有一点儿错误就会死机，操作系统最大的错误就是死机。
编写操作系统，除了要写源码以外还要编写操作系统的控制代码，这就是著名的 Linux/Makefile 。学完这个课程以后 Makefile 必须会，也就是在编大型软件的时候你要控制整个软件，让它合成一个结构就必须用 Makefile 。
我们通常把一个操作系统最后编译出来的样子叫 Image (一个操作系统的镜像)，我们有一堆源码，这堆源码通过 Makefile 产生了操作系统的镜像，这个镜像必须要长成这个样子。将这个镜像放在 0 磁道 0 扇区（可以通过一个工具把 Image 写到磁盘的任意位置），然后开机引导的时候，操作系统顺理成章地读了进来，被立了起来，待会儿会被初始化，然后会产生一个我们久违的桌面（shell）。有个这个桌面以后你就可以用操作系统，操作系统的启动就完成。
操作系统是个复杂的东西，光汇编就用了三种。关于这三种汇编的语法我们这里也不能一一展开，到时候需要的时候，我们再简单地说一下，大家感兴趣的话可以查阅相关的资料。但老师的原则是用到的时候再去看一看，掌握课程核心就行。否则，等你把这三种汇编都学完了，可能这课你也就懒得去听了。所以用到的时候多去查阅查阅资料，多去找找答案就可以了。
head.s 执行完跳出来后要去执行 main.c，main.c 是 C 函数，即从汇编要跳到 C函数。当 main 函数返回的时候，系统就进入死循环，操作系统就是一个永不停止的程序。
mem_init 函数执行内存的初始化
最后我们总结下上节课和这节课讲的内容。我们讲了 bootsect.s，setup.s，head.s，main.c，以及 main.c 中的 mem_init () 函数，讲了这些后，关于操作系统的初始化基本完成。讲了这么多内容，我们整理下它们到底做了些什么事情呢？实际上就是：
- bootsect.s 将操作系统从磁盘读进来；
- setup.s 获得了一些参数，启动了保护模式；
- head.s 初始化了一些 gdt 表、一些页面，然后再跳到 main.c ；
- main.c 里面是一堆类似 mem_init () 函数来初始化内存、硬盘等。
把这一系列动作合在一起，实际上在系统启动的时候就做了两件事：第一件事就是读入内存，即把操作系统读入内存；第二件事就是初始化。
为什么要读入内存呢？因为读入内存后，操作系统才能够进行取指执行，操作系统才能发挥它的功能。
为什么要初始化呢？因为操作系统要管理计算机的硬件设备，是管理计算机硬件的软件系统，要完成这个管理，我们就要对每一个硬件初始化一些数据结构。
现在我们就明白了操作系统启动的大概过程。那么，这个过程明白了，对将来的学习会起很重要的作用。我们会在学习后面的内容时，再不时地回过头来看当时初始化的时候，初始化的内容。
L4 操作系统接口
操作系统的接口，实际上也是操作系统的第二部分。前面我们讲了系统的启动，实际上属于第一部分。在第一部分中，我们讲了启动是怎么回事，最后实现的样子就是将操作系统的程序，读入到从内存 0 开始的地方。也就是说，在系统启动的时候，将操作系统从磁盘载入到内存里。
除了将操作系统代码放到内存里，还创建了一些初始的数据结构，比如 GDT、IDT、mem_map 等。也就是说，在系统初始化的时候，在操作系统引导部分，将操作系统从磁盘读入到内存中。现在内存中从 0 地址开始就有了操作系统，而且还有了一些重要的、初始化好的数据结构。
从今天开始，我们学习从上层应用怎么穿到操作系统里面，从而最终怎么使用硬件。我们说过，这是我们一个比较重要的主题，从接口进来，来看操作系统到底发生了什么事，明白操作系统背后的原理以及通过这些原理，将来能真正地扩充系统的功能，能设计系统的模块。这是我们强调的系统能力。
操作系统的接口：连接上层应用和底下的操作系统，给出来的东西是很简单的东西，但是在内部要完成这种转换和屏蔽细节的功能。
所以我们这里讲得是，给出来的东西是什么（很简单、很自然的东西），然后还要看这背后到底是怎么做成的。这就是我们讲接口这部分要完成的两项任务。今天我们讲前面一个，下一节再讲第二个。这两讲合在一起，就讲完了系统接口的完整故事。
所有的命令再复杂，比如 gcc 命令，但这个命令也是开发者编写的一段程序。所有的命令实际上都是一段程序，这个程序编译完以后会生成可执行的文件，然后再在命令行里敲入这些命令后执行。
前面一部分我们讲开机、系统启动的时候，最后会打开一个桌面，对 Linux 来说的话，最后就是打开一个 shell。打开 shell 和打开桌面实际上是一回事，待会儿你马上会体会到。
shell 也是一段程序，可以看到这个程序的主体是一个死循环，所以 shell 是一个不停机的程序，它不断地等着用户敲入命令。
命令行是怎么回事呢？就是一堆程序，只是在程序中增加了一些重要的函数，来对计算机进行使用。
图形按钮是基于一套消息机制。我们讲的代码是基于 Linux 0.11，Linux 0.11 只有命令行，没有图形界面。而这一套图形界面在新的 Linux，比如 Ubuntu 系统上有。Windows 系统也有，它著名的就是提供了一套图形界面机制。
我在这里要加一句题外话，大家完全可以在 Linux 0.11 上实现一套图形界面。实现图形界面就是要实现鼠标的点击，实现消息机制，再实现一个画图的功能。
一个他操作系统课程上的学生：
他想在 Linux 0.11 上做一个图形界面，并且驱动一个鼠标来看一看。做这个实际项目当时老师非常鼓励，就和他们讨论了任务，需要做鼠标的驱动，要捕捉鼠标的中断，要做这样的消息机制，要开启图形模式，要在显示器上绘图，所谓绘图就是描一个个的图形像素。要这三件事，这个同学带着 4 个人的小组在两个月的时间做了出来，而且在 Linux 0.11 上做了一个用鼠标操作的游戏。
我的研究生，操作系统课程的助教，当看到他们这个小组在 Linux 0.11 上能做出这样一个东西，当时都非常惊讶。这个组的同学做完这个项目后非常有成就感。
实际上讲这个小故事的含义就为了说明，所谓的图形化界面并不复杂，并不神奇，无非是实现一些东西。要实现一个消息队列，当鼠标点下去后要通过中断放到系统内部的应用消息队列。而应用程序要写一个系统调用，GetMessage，要从内核里面、从操作系统里面把这些消息一个一个地拽上来。每拿出来一个消息，再对这个消息进行识别，执行一个相应的函数，来实现相应的功能。这个应用程序是一个不断从消息队列中取出消息的循环，这就是消息机制。
无论是命令行还是图形界面，实际上都是一些程序，这些程序主体就是 C 程序。这个学完数据结构、C 语言都可以写出来。而里面关键是调用了一些重要的函数，正是调用一些重要的函数来进入操作系统，来使用硬件。
所以由此可以看出，计算机在上层应用是怎么使用底层的硬件的呢？就是普通的 C 语言，再加上关键性的重要函数。所以什么是操作系统的接口呢？就是这些函数，这些函数就是操作系统给我们提供的接口。
什么是操作系统接口？就是系统调用。
有哪些具体的操作系统接口呢？我们前面看到了 printf，printf 还不算操作系统接口，它最终调用了一个系统调用 write。既然我们的课程是要通过、穿过系统的接口，进入到系统的内部去学习。那么，你就必须知道有哪些接口。虽然我不要求大家背一背，有哪些系统调用，把它都记住，这没有必要。但是我们应该知道，哪些地方是系统调用，尤其是要知道去哪里查系统调用。
POSIX（Portable Operating System Interface of Unix），IEEE 制定的一个标准族。
系统调用、操作系统接口应该做成统一的。POSIX 就是一个统一的接口，由 IEEE 定义的。如果一个操作系统能支持这个接口，那么以后使用起来将会很方便。
上层的应用程序，无非就是使用系统调用，再加一些别的代码。那么，如果系统调用不变以后，别的代码可以在这个操作系统上跑，也可以在那个操作系统上跑。因为这些程序里面，除了用到这些函数（系统调用），其它的内容都是基本的 C 语言，而基本的 C 语言都是统一的。所以，基本的 C 语言，再加上不同的操作系统提供的相同的系统调用，那么应用程序是可以在不同操作系统上跑的。这样的话就很方便。
虽然不要求记住这些系统调用，这也不是我们课程的主题，但是应该知道去哪里查这些系统调用——POSIX。这是个标准，它遵循了 Unix，采用了 Unix 惯例（在操作系统名称中只要 X 出现，通常指的是 Unix）。
如果你对操作系统的系统调用比较关心，可以去查 POSIX 手册，Linux，Unix 操作系统都符合这个标准。POSIX 手册在网上能下载，也可以通过这个手册来看一看，一个操作系统应该给上层提供什么功能呢？提供什么接口呢？
那么，有了这个接口以后，你想想，如果你要设计一个操作系统，是不是也要提供这样一些基本的接口呢？这样的话，在 Linux，Unix 上开发的应用程序，在你设计的这个操作系统上也可以跑起来。
那么老师最后用一句话来总结：什么是操作系统接口呢？就是一些函数，叫系统调用的函数。它具体来说就是 fork，open，write 等这些函数。下一节我们再来看一看，这些函数在操作系统里面到底是怎么展开的？怎么就能进入系统？怎么就能实现它背后要求的功能？
L5 系统调用的实现
操作系统程序在内存中，应用程序也在内存中，应用程序想访问操作系统功能为什么不直接跳进去（jmp，mov 等），直接访问不行吗？不允许，在内存中不能随意的调用内核的数据，不能随意的 jmp 。
操作系统里面有很多很重要的东西，比如说 root 用户的用户名和密码，操作系统里面就很可能有。这样在输入用户名和密码登录的时候，操作系统才能在内存中去检验，输入的这个 root 用户的密码对不对。所以，一旦允许应用程序随意地访问操作系统内核，这个 root 用户的密码很可能就会被应用程序所掌握。
应用程序 word 中的内容，通过操作系统写到磁盘上。那么它写到磁盘上的有些字符串，在一定时间段内会在操作系统中留下来，留在缓冲区里。如果允许应用程序随意访问操作系统程序的话，那么它就可以把当前缓冲区里 word 应用程序的字符串给拿出来，那么就可以看到别人 word 里的内容，这样的话系统就太不安全了。
那么接下来我们要讲两件事情：第一个，怎么才能禁止应用程序访问操作系统内核，都在内存中，凭什么不让应用程序随意去访问；第二个，如果这样的话，那么操作系统就应该提供一个门，即接口，给应用程序去调用。
通过硬件设计将应用程序和操作系统程序区分开来，所以操作系统和硬件联系非常紧密。硬件把内存分隔成不同的区域，其中主要分成两个区域：一个区域是用户态（用户段），另一个是内核态（内核段）。
在前面我们分析汇编程序时，我们应该有个印象就是计算机对内存的使用都是一段一段的。内核段的内存执行在内核态下，用户段的内存执行在用户态下。
内核段，用户段使用了段寄存器来进行区分。有几个段寄存器有很重要的内容，分别是 CPL (Current Privilege Level)，RPL (Request Privilege Level) 和 DPL (Descriptor Privilege Level)，而 DPL 是用来描述你要访问的那个目标段的特权级别。
计算机提供了唯一的方法，就是通过中断指令 int 才能进入内核。什么是系统调用，实际上就是一段包含 int 指令的代码。上层应用程序调用的接口，实际上函数展开后，包含一段含有 int 指令的代码。然后通过这个唯一的中断进入内核，进入内核以后操作系统写中断处理，获取想调用程序的编号，接着操作系统根据编号执行相应的代码。例如，表面上看是调用一个 open 函数，实际上背后发生了很多事情。
中断是进入内核的唯一方法。open 这个函数实际上就变成一段包含 int 的指令。而要实现中断，操作会提供相应的中断处理函数。在中断处理函数中，根据是 open，read，或 write 再跳去相应的地方去执行，这就是系统调用背后发生的故事。
操作系统初始化规定 int 0x80 为中断指令。
接下来我们再详细地看一看 int 0x80 到底做了些什么事。
总结一下就是，将一个系统调用号置给 eax，然后调用 int 0x80。调用 int 0x80 就到了内核，所以，这就解释清楚了系统调用核心的第一部分。因为进入内核的唯一方法就是靠 int 指令。write 通过一个宏展开的汇编，已经变成了一段内嵌的汇编代码，其中包含的核心语句就是 int 0x80。
int 0x80 表面上虽然是一句指令，但实际上这句指令做了很多事。int 0x80 要查 IDT 来确定中断去哪个位置执行。老师在这里插句题外话，中断是计算机设计中一个里程碑的创新、发明创造。有了中断，可以做很多事。中断对操作系统、对计算机来说非常重要。
那么中断是个什么东西呢？程序执行到中断就停下来，而跳去另外一个地方去执行。当在另一个地方程序执行完以后，再回来。
所以 int 0x80 指令就是要去 IDT 里面去取出地址，跳到中断处理函数那里去执行。中断处理函数执行完后，再返回，执行下一条指令，把 eax 值赋给 res。也就是说，中断处理函数返回后，int 0x80 的指令就执行完了。
int 0x80 用哪个中断处理函数去处理呢？这个是最关键的。
现在可以清楚为什么只能用 int 0x80 来进入内核了。因为进入内核的那一刻，在应用程序执行时 CPL 肯定等于 3，而系统调用展开成一段包含 int 0x80 的代码，而 int 0x80 要访问 IDT，在 IDT 中把 DPL 置成 3，此时 CPL = 3 并且 DPL = 3。所以才能跳到 80 号中断，跳进去以后，用段和偏移设置新的 PC (cs:ip)，这时 cs = 8，ip = &system_call。接着通过 GDT 找到 &system_call 相应的地址去执行。
而为什么 cs = 8 呢？因为当设置为 8 后，cs 的最后两位为 0，因此 CPL = 0，然后就可以跳到内核代码 system_call 处去执行。
这个完整的过程就是：在初始化时，80 号中断的 DPL 设置为 3，故意让 CPL = 3 的用户代码能进来。一旦进来执行后把 CPL 设置为 0，这时就变成了内核态，可以跳到任意的位置去执行程序。将来中断在返回的时候，会执行一条指令，这条指令执行完以后 cs 的最后两位又变成了 3，此时又变回了用户态。
接下来我们来看一看 system_call 要干什么事情，
sys_write 是怎么实现的？在内部又发生了什么事？那必须要等到讲完文件读写、讲完 I/O 驱动才能讲，所以这个接口的故事到这里就可以了。
我们说过，我们要通过接口深入到内核。现在我们讲清楚了在操作系统边界发生了什么事，而在内部发生了什么？那得讲完操作系统里面核心的东西，才能回答这个问题。
最后我们再来说下前面的这个例子。我们从这个直观的例子开始，再从这个直观的例子结束。
现在我们讲明白接口了，从下次课开始我们就要深入到内核中去讲。但是我们在深入到内核中开始讲之前，我们要简单地讲一点操作系统的历史。希望通过这个历史来激发大家，也引导大家，通过历史来看一看，我们为什么要进入到内核中去学习，我们为什么使用这个套路。
根据前面的讲解，大家可以看到，我们这个课程的风格就是讲操作系统的内核到底是怎么做的？操作系统的接口是怎么弄的？操作系统是怎么初始化的？代码是怎么写的？我们通过历史来讲讲我们为什么要这样上这个课？然后，所有的事情准备好了以后，剩下的就一部分、一部分地从上层应用切进去。然后看内核到底是怎么编出来的？原理是什么？对应的代码是什么？为什么向上层去展现成那个样子？
我们配了很多实验，其中实验二就是让大家去实现 whoami()。一定要认真去做这些实验，这样后面的实验才能做，后面的内容也才能更好的理解。大家回去后去做实验二去吧。
L6 操作系统历史
为了加深对操作系统的理解，我们特意增加了这一节，就是来看一下操作系统的历史。根据操作系统的历史，我们会对操作系统是怎么编出来的，操作系统为什么要有那些模块，什么东西才是它的核心，以及它在历史上是怎么产生出来的会有个了解。
通过读操作系统的历史，也能让我们抓住操作系统的重点。这样在打开操作系统的时候，才不至于迷失方向。因为操作系统是一个非常复杂的东西，如果在头脑中没有一个对它清晰的图像，没有一个核心的骨干在里面的话，那么就容易懵了。
实际上自计算机一出来就有了操作系统，因为人们认识到一个计算机如果不配上操作系统，使用起来的话就太费劲。在 IBM7094 上，这时的操作系统不能算是操作系统，它就是一个监控程序，这个监控程序很简单，只要发现第一个任务出错或完成了，它马上修改一下 PC 指针，让它去执行第二个任务，若第二个任务出错或完成，就切换到第三个任务，以此类推。
这时计算机没有任何额外的动作，也从来不停下来，就一直在那运行。当处理的任务出错时，它会把出错的信息输出到磁带上，给人们去分析。所以这个时候的操作系统非常简单，也算不上是操作系统。但是，这是最开始的计算机，它和现在的计算机差别太大了，这是一个演变的过程。
OS/360 是操作系统中一个殿堂级别的操作系统，很多概念都是从这个操作系统中来的，实际上很多事情就是从这故事来的。
如果一台计算机要干很多事，但是仍然采用批处理方式，这个就不太合适了。比如假设 JOB1 是 I/O 的任务，JOB2 是一个计算的任务，如果采用批处理方式的话，那么必须要把 JOB1 完成以后才能去处理 JOB2 的任务。因为若是在 JOB1 还未完成时就切换到 JOB2 ，那之后就再也回不来去处理 JOB1 的任务。
如果在处理 JOB1 的 I/O 任务时，计算机需要等 5 秒去读写磁带，那么对于当时来说这么重要的机器，你让它等 5 秒钟，显然是巨大的浪费。因此，一个自然而然的想法就是，一旦计算机在处理 JOB1 停下来以后，我们可以切换到另外一个任务去执行，等到 JOB1 的 I/O 处理完以后，再切换回 JOB1 继续处理。
多道程序（multiprogramming）：多个任务同时出现在计算机中，然后多道程序交替地向前推进，这样的话就出现了作业之间的切换和调度，这个时候就出现了操作系统的样子。什么时候切换？什么时候调度？怎么切换？这就出现了很多事情，这个样子就构成了现代计算机的基础。
为了完成多道程序的切换，让它合理有序地切换和调度，操作系统就要做很多事情。为了做到这些事情后来就出现了 IBM OS/360，当时也才把这个系统叫做操作系统。
什么是操作系统呢？前面我们说过，是给计算机的硬件装了什么系统来方便用户对计算机的使用。当 IBM OS/360 这个系统装在计算机上，就可以用在各行各业。但由于处理任务时切来切去、调度来调度去，最后这个系统变得越来越复杂。它实际上是一个不成功的项目，因为到最后它的 bug 非常多。但是，它的基本思路是非常对的，多个任务同时存在系统，多个任务之间不断地来回切换、调度。
20 世纪 6、70 年代还没有特别好的软件工程思想，所以当时在代码特别多的时候，最后没办法控制了。当时开发 OS/360 的工程师们，最后画出这样一张图：操作系统放在中间，而我们这些开发者已经变得像恐龙一样，完全不懂它在干些啥了。所以当时有句话是 “面对如此复杂的操作系统，我们犹如史前动物一样”。
因此，从这个侧面也可以看出，为了满足计算机应用于各个行业的需求，多进程结构必然会出来。但是多进程结构也会导致系统非常复杂，这个复杂的系统在当时大家对操作系统的认识还比较模糊的情况下，做起来是非常费劲的，而且没有成功。
MULTICS 和 OS/360 对比的话，它在本质上并没有多大的推进，它只是增加了一个内容。在这个系统上除了出现多个任务，还出现了每个人都控制一个任务的这种局面，因此它引入了分时的概念。分时系统对 PC 机来说看起来没什么影响（但 PC 机里也有分时的思想在里面），但对服务器来说非常有意义。
MULTICS 也使得多进程的样子、多任务同时推进的样子更加清晰了。不过核心仍然是任务切换，仍然是多进程结构。虽然操作系统的历史是发展的，但它的基础仍然是多进程结构。实际上多进程结构是操作系统最核心部分，到现在仍然是这样。所以对当时提出来的 OS/360，我们把它称为殿堂级别的一个系统。
OS/360 和 MULTICS 都没有获得成功，但 UNIX 获得成功了。
Ken Thompson 和 Dennis Ritchi 是图灵奖获得者，他们俩是唯一的因做出系统而获得图灵奖，大神级别人物，非常著名。
实际上 MULTICS 是在 OS/360 基础上改造过来的。
UNIX 几乎是学计算机的必须要知道的一个系统，非常著名。学习 Ken Thompson 和 Dennis Ritchi 的故事也引出了我们这个课程的一个主旨：大家可以看到，找一个自己的小伙伴，两个人配合在一起，当发现这个世界上有感兴趣的东西后，是否可以做出来，用代码实现它。
计算机就是这样的一个行业，大家找那么三、两个人作为伙伴，去写一些实际的东西出来，将来可能会取得辉煌的成绩。像比尔 · 盖茨的微软是这样，谷歌也是这样，我们这里不再说了。当然，要做出这些事情，你必须能有这个能力去写出来。这也是我们这个课程的原因，让大家真正地去接触操作系统，真正具有写出系统的能力。这样的话当你面对一个新的机会的时候，你才有能力去做一些你感兴趣的事。
所以主题就是，找一个伙伴，或两个伙伴，选一个感兴趣的东西，你们有足够强大的编程能力和计算机系统能力，做一点事情。这也是我们学习操作系统历史要给大家传达的一个思想。
Linus 在做出 Linux 后，他以开源的形式把 Linux 发在互联网上，因此就展开了一场轰轰烈烈的 Linux 产业化运动。现在 2015 年，自从 2010 后 Linux 非常辉煌，很多系统，像安卓手机，底层就基于 Linux，很多嵌入式设备上面装的也全是 Linux。
既然 Linux 是改装 UNIX，所以它的核心思想仍然是 OS/360 的多进程结构。这里也更加印证了一点，一个人做操作系统比明白操作系统背后的原理要更加重要。当然，不明白原理是不行的，明白纸上的原理对操作系统的学习来说，可以说只完成了 10% ，剩下的 90% 是要真正把它落实到实际的计算机中，因为操作系统就是一个实实在在的软件。
在操作系统的发展历史中，多进程的结构一直没有再改过。
这里是老师给大家说的一句话，根据这句话大家也可以看到我们这个课程的主旨，这也是我认为操作系统就应该这么学：我们要掌握操作系统的多进程图谱，如果头脑中没有这个图谱，没有这个样子，那你肯定做不出什么 UNIX，Linux。
但是如果你只有这个图谱，你画在纸上玩一玩还可以，不过没有任何用途。我们如果能把这个图谱实现，至少我们能把这个图谱理解到别人是怎么实现这个图谱的程度，我们能够适当改造这个图谱，那么你对计算机，你对操作系统的理解就上了一个层次。
有了这样的一个层次以后，才能兑现我们之前的承诺，我们要通过上层接口进入系统，并且扩充系统，来提高系统的能力。如果你不明白操作系统的多进程图谱，那肯定是无本之末，但如果你要是只知道这个图谱而不去实现它，你就永远不会有这个系统能力。
所以我们既要在头脑中立起这个图谱来，这个是我们讲 CPU 管理那一部分中，最核心的一项任务，把多进程图谱立起来。此外，不仅要立起来，还要讲它是如何一步步做出来的。
刚才我们讲了一个图谱，即多进程结构这个图谱，那么接下来我们要看第二个图谱。在我们操作系统的课程上，把这两个图谱说明白了，讲明白了，怎么做出来的讲清楚了，那么我们把操作系统这架钢琴就分解了。在这里我用第二条历史来解释第二条图谱。
很多人接触 PC 后，就有那些人，一些感兴趣的有才能的人、又能刻苦专研的人、锲而不舍的人，就会对系统、对这个 PC 机做很多事情，其中 DOS 就是著名的代表。
Paul Allen 和 Bill Gates 在杂志上看到了 ALTAIR 8800 这台机器的报道，很感兴趣，想着能不能为这个机器做点什么，于是两个人就开发了 BASIC 解释器。这个非常好，你在上面开发了 BASIC 解释器，那别人就可以用你的 BASIC 解释器来编 BASIC 程序，那么别人就可以用这个机器了，据此开创了微软。
MS-DOS（比尔 · 盖茨的第一个系统） 和 IBM PC 一起打包卖的时候，当时就非常火。老师在那个年代，九几年到二千年的时候，老师 1995 年读的本科，在 2000 左右的时候，用的机器上面装的都是 DOS，当时非常火。
EDIT：每讲到这个地方老师就心绪万千，我第一次接触计算机就是接触这个 EDIT（我本科是学机械的，就是因为这个（EDIT），机缘巧合，最后爱上了计算机，然后再改行做计算机这么多年，我个人觉得计算机还是非常有意思的）。
从 MS-DOS 到 Windows 打的这张牌，并不打核心的多任务结构，它打的是用户怎么使用得更方便的牌。
Mac OS 不光专注于界面、文件，它还关注媒体、手势这些比较高级的东西。大家知道，可能未来通过手势识别、语音输入、姿势识别、脑电波识别等这些人机交互来操作计算机会成为一种潮流，但是，它对应的核心思想仍然是文件，你眨一下眼睛无非也就是控制摄像机拍出一个文件。
文件这个视图就成为我们要讲解的第二个视图。仍然是这样，也许文件的概念本身并不复杂，讲讲可能半个小时，一个小时就说清楚了，在纸上画一画也很快，但是，如何让文件变成实实在在的东西，如何编程实现，如何实现它，这个就很重要。
我们在整个操作系统里面，打开操作系统要做到两件事：
- 第一件事就是要理解多进程图谱，这是个什么东西？它是怎么做出来的？它的原理来自于 OS/360，最后来自于 UNIX。然后是怎么做出来的？我们主要讲 Linux 中的一些代码，来看看它是怎么做出来的。我们要掌握、实现这个多进程图谱。
- 在学完多进程图谱以后再学下一部分，即文件操作视图。我们来看看文件是什么东西？它是个什么概念？实际上 UNIX 里面有这个概念，DOS，Windows 也有这个概念。我们来看看文件这个视图是什么样，这个视图是什么结构，它是怎么做出来的。
所以在我们的课程里有两大基本的主题，第一个就是多进程图谱是什么样子，它将会覆盖两个部分（CPU 和内存）；而第二个文件视图对应着 I/O 设备、磁盘。
什么是操作系统，要管理计算机的硬件。要管理哪些硬件？怎么管理 CPU？怎么管理内存？怎么管理 I/O 设备？怎么管理磁盘？怎么管理文件？正好对应了那 5 个模块。所以这两个视图，就是操作系统的核心视图。
如果把这两个视图弄明白了，操作系统就在你的脑中形成了。只有在你的脑中形成了，你才能写出操作系统。你要是能写出操作系统，那么什么样的计算机系统你都可以写得出来，因为操作系统是整个计算机系统中最灵活的东西。
L7 我们的任务
我们这个课程就是要打开操作系统，看看操作系统到底是怎么做出来的。那么操作系统是怎么编写出来的？怎么做出来的？肯定要围绕上一节提到的两个视图，即多进程图谱和文件操作视图展开来讲解。本来直接就开始讲多进程图像，但这里我们将任务再分解一下，让大家看得更加清晰一些。
那么我们采用的方法是什么呢？温故而知新，我们现在将前面所学的内容串一下，串在一起来看一看我们在接下来的内容中，会一段一段地去讲解什么内容。
操作系统管理的硬件主要有 4 个部分：CPU 、内存、I/O 设备（显示器、键盘、打印机等）、磁盘和磁盘上的文件。
我们要知道操作系统是如何管理硬件的，它是怎么做到的。怎么个做法呢？我们是通过上层应用进入操作系统的方式，我们想看看上层应用是怎么用操作系统的？到了操作系统里面它是变成什么样的？具体怎么做的？
这就引出了接口、启动、初始化。
操作系统要管理硬件，怎么管理硬件呢？肯定要设置一些数据结构，根据数据结构来管理。
这四个部分的管理，实际上已经管理好了单机、单 CPU 上的硬件情况。
再具体一点呢，我们要通过接口进入到系统。
fork 是什么？为什么它会管理 CPU？fork 出来的东西是什么？凭什么它就可以管理 CPU ？
内存方面：通过 *p = 7 操作一个地址，我们就能使用内存，为什么能使用内存？它是怎么做到的？
为什么 CPU 和内存合在一起就能形成多进程图谱？为什么它们可以合在一起？
设备驱动，为什么说它是文件视图？因为设备对应的是操作设备的文件，操作设备就也是操作文件，比如操作 dev/tty0 这个文件就可以操作显示器、操作键盘。而操作文件可以用 open，open 一个普通文件发生了什么事？open 一个设备文件又发生了什么事？这是我们后面要讲的核心内容。
所以从下次课开始，我们就要讲多进程图谱中进程是怎么回事？怎么做出来的？在讲这个时会延伸出很多问题。在讲清楚这个以后，我们就开始讲内存是什么概念？为什么 *p = 7 可以访问内存？以及 *p = 7 访问内存和进程是个什么样的关系？
讲完这个以后，就可以开始讲文件视图，我们要讲清楚一个设备是怎么驱动的？open 一个设备文件是什么？磁盘是个什么东西？open 一个磁盘文件又是什么含义？它们又怎么纳入在统一的文件视图下？
附录
- 实验部分可参考：实验楼中配套的实验；hoverwinter/HIT-OSLab 。
- 课程的辅助教材：《Linux内核完全剖析》0.11 版（豆瓣链接 ；oldlinux.org-clk011c-3.0.pdf）
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