[OS]Three Easy Pieces Chapter 6
Mechanism: Limited Direct Execution
操作系统必须以高效的方式虚拟化 CPU，同时保留对系统的控制。为此，需要硬件和操作系统的支持。操作系统通常会明智地使用一些硬件支持，以便有效地完成工作。
1 Basic Technique: Limited Direct Execution
图中显示了直接执行的简要流程，这个流程存在两个问题：
- 操作系统如何保持对进程的控制，防止其做违法操作
- 操作系统如何切换进程，以在多个进程间共享CPU
2 Problem #1: Restricted Operations
为了限制进程的行为，提出内核态和用户态的概念。
用户进程一般运行在用户态，用户态中对硬件资源的访问是受限的，不能执行特权指令（访问IO等）；而操作系统内核一般运行在内核态，在内核态中对硬件资源有完整的访问权限，可以执行特权指令，访问各种IO等。
有了这个概念，当一个用户进程希望访问一些硬件资源的时候，需要执行系统调用，告诉操作系统他要干啥，然后操作系统进行一些参数、权限检查等，确保用户进程有权利执行这个操作，并且这个操作不是一些恶意操作，然后替用户进程执行这个操作，再返回用户进程继续执行。从用户进程的视角来看，系统调用就像任何一个正常的函数调用一样。
为了执行系统调用，程序必须执行一个特殊的trap指令，该指令跳转到内核中并修改当前态为内核态，同时，该指令也会保存一些寄存器到内核栈（每个进程都有一个）中，以便能够顺利返回到用户进程。当操作系统完成系统调用后，会执行一个特殊的返回指令，该指令从内核栈中恢复寄存器的值，返回到用户进程继续执行，并修改当前态为用户态。
最后，一个trap指令如何知道跳转到哪里执行呢，如何区分不同的系统调用。我们不能允许用户进程直接指定执行指令的位置，因此，操作系统通过一个trap table来实现。trap table实际上就是一个表格，将不同的系统调用映射到对应的处理例程的地址。执行trap指令的时候，由用户负责提供一个系统调用号，然后操作系统根据这个系统调用号跳转到对应的地方执行。trap table是在操作系统boot的时候设定的（通过某种特权指令告诉硬件trap table的地址，硬件记住这个地址，之后直接到这里查找）。
3 Problem #2: Switching Between Processes
操作系统如何获取控制权
进程切换的第一个问题是，当进程上CPU执行之后，操作系统理论上就不能执行任何操作了（没有CPU资源），那么操作系统如何切换进程？因此，我们需要提供一种机制让操作系统能够重新获取控制权。
合作方法：等待进程执行系统调用
在早期的OS中，内核相信进程会时不时的让出CPU的控制权，即使进程不让出控制权，其也会时不时的执行系统调用，或者是触发异常等，操作系统在此时获取控制权。然而，当进程陷入死循环中，操作系统就无法获取控制权了。
非合作方法：操作系统接管
通过借助硬件的帮助（时钟中断），操作系统可以获取控制权。具体的，在boot的时候，操作系统告诉硬件，当发生时钟中断的时候，执行什么代码，然后启动时钟。这样，当时钟中断发生的时候，当前进程就会停止执行，然后跳转到时钟中断处理程序中执行，这时，操作系统就获取了控制权，可以做任何事情。
需要注意的是，对中断处理和系统调用很类似，硬件都要负责保存寄存器的值，切换态等，以便之后能够顺利继续执行。
4 Saving and Restoring Context
上下文切换要做的事情其实很简单，保存当前进程的寄存器的值到PCB中，然后从要切换的进程的PCB中恢复这些值到寄存器中。具体的，当时钟中断发生的时候，硬件会负责将一些寄存器保存到当前进程A的内核栈中，然后进入时钟中断处理程序执行，并切换到内核态，内核决定要进行调度，切换另一个进程B执行，此时进行上下文切换，将当前寄存器的值保存到当前进程A的PCB中，然后从进程B的PCB中恢复这些寄存器的值，然后切换到进程B的内核栈，此时执行返回指令，硬件从内核栈中恢复寄存器的值，跳转到进程B被中断的地方继续执行。可能还会涉及额外的页表的切换。
