文章总览：YuanDaiMa2048博客文章总览
计算机基础四大件学习笔记
说明：虽然学习过计算机组成与系统结构、操作系统、计算机网络以及数据结构这四门课程，但是对于这四门课的结合和实际中的应用还是模糊的，因此x想通过网上的一些视频，将这四门课从程序员实际应用的角度去结合，主要记录一些课程学习的笔记，目的是由浅入深真正了解计算机底层的工作原理。
计算机组成原理
关键词：内核、程序、cpu、硬中断、软中断、GDT、IDT、IO中断、时钟中断…
一、程序运行的底层逻辑
流程图
-
程序如何执行：
在计算机中，系统的运行分为用户态和内核态。用户态运行的是用户程序，而内核态运行的是内核代码，负责管理硬件设备和执行系统调用等。程序执行时，特别是需要进行系统调用（比如文件操作、网络通信等需要操作系统介入的操作）时，会通过软中断（例如
int 0x80或syscall指令）从用户态切换到内核态。CPU收到这个指令后，会查询IDT（中断描述表），找到对应的处理函数（系统调用的入口点）并执行，这个过程称为系统调用。 -
内核安全性保证：
内核的安全性主要通过内存保护、权限控制和用户态/内核态的隔离来实现。GDT（全局描述符表）和IDT是其中的关键机制。GDT中定义了不同段的属性，包括基地址、界限以及访问权限等，确保用户程序不能直接访问或修改内核代码和数据。通过这种方式，加上CPU的特权级别机制，确保了只有合适的权限（通常是内核态）才能执行某些敏感操作。
-
软件程序的并行执行：
现代计算机通过进程调度（多任务）实现了看似并行的执行效果。实际上，单核CPU在任一时刻只执行一个任务，而多核CPU可以同时执行多个任务。进程调度器（系统的一部分）负责管理所有进程的运行，确保CPU时间被公平且高效地分配给每个进程。
时钟中断是实现时间片轮转调度的关键机制之一。计算机中的时钟会定时产生中断，触发操作系统的调度程序运行，挂起当前进程，保存其状态，然后根据调度算法选择另一个进程继续执行。这样，通过在不同进程间迅速切换，给用户一种多个程序似乎在同时运行的错觉。
硬中断和软中断（包括系统调用）也是触发任务切换的机制，但它们主要用于处理异步事件和系统调用请求，而时钟中断主要用于实现时间片调度。
二、相关概念介绍
-
内核 (Kernel)
- 内核是操作系统的核心部分，负责管理计算机的硬件资源，提供系统服务。它在用户程序和硬件之间充当中介，执行包括内存管理、进程调度、文件系统管理等任务。
-
程序 (Program)
- 在计算机中，程序是一系列指令的集合，这些指令能被CPU执行以完成特定的任务。程序在执行前通常存储在磁盘上，执行时加载到内存中。
-
CPU (Central Processing Unit)
- CPU，即中央处理器，是计算机的主要部件之一，负责解释和执行程序指令，处理数据。
-
硬中断 (Hardware Interrupt)
- 硬中断是由计算机硬件发出的中断信号，用于通知CPU立即处理某个事件，如输入/输出操作完成。
-
软中断 (Software Interrupt)
- 软中断是由软件产生的中断，通常用于操作系统内核提供的服务请求，如系统调用。
-
GDT (Global Descriptor Table)
- 全局描述符表，是一种用于定义不同内存段（如代码段、数据段）属性的数据结构，它支持内存保护和特权级别控制，确保只有具有适当权限的代码才能访问特定的内存区域。
-
IDT (Interrupt Descriptor Table)
- 中断描述符表，用于定义每种中断或异常的处理程序的地址和属性。当CPU接收到一个中断信号时，它会使用IDT来确定如何处理该中断。
-
IO中断 (I/O Interrupt)
- 输入/输出中断，是一种硬中断，由外围设备（如硬盘、网络接口）发出，表示数据传输可以开始或已经完成，需要CPU的注意。
-
时钟中断 (Clock Interrupt)
- 时钟中断由计算机的定时器定期生成，用于操作系统的进程调度，确保CPU时间可以被多个进程共享，实现多任务处理。
-
用户态 (User Mode)
- 用户态是指CPU运行权限较低的模式，用户程序在此模式下运行。在用户态，程序不能直接执行内核代码或操作硬件。
-
内核态 (Kernel Mode)
- 内核态是指CPU运行权限最高的模式，操作系统的核心部分在此模式下运行。在内核态，代码可以直接访问所有硬件和内存区域。
