雙模式(Dual-Mode)

Dual-Mode是OS的一種設計。平時OS就是在掌控我們電腦裡面的殺生大權，要是哪天惹OS不開心，他把我的D巢（對我故意打這個巢），還有那些見不得人的東西發出去，或是把它銷毀，是不是令人冷汗的一件事呢(XXX

作業系統不是誰都可以亂動的(就像身體依樣，每個人都要保護好自己)

為了防止OS被惡意或寫壞的程式所gank，OS採Dual-Mode的安全機制，白話說就是：「安全的操作可以由使用者操作，但對於危險的操作只能由 OS 核心來做」。Dual-Mode可以分為：

• User mode(使用者模式)：執行使用者程式，受限、無法執行危險指令
• Kernel mode(核心模式)：執行作業系統程式，有最高權限，可直接操控硬體

雙模式(Dual-Mode)最主要的核心是「只有作業系統可以從 User Mode 進入 Kernel Mode，且必須透過中斷機制或系統呼叫」。至於兩種模式之間的切換，大概有這幾種：

• 使用者執行自己的應用程式 → 隸屬User Mode
• 當操作需要系統幫忙（例如 read()），就會發出System Call
• CPU 進入 Kernel Mode，由 OS 幫你做這些「高危操作」
• 執行完後，切回 User Mode 繼續

接下來剩下一些小知識，雖然會有點突兀，但這邊就把它應塞進來ＸＤ

計時器(Timer)

在OS當中，並不是每一樣程序燈可以如期完成，程序可能會有

• 一直跑無限迴圈
• 佔用 CPU 太久，不讓其他程式上場
• 搶著吃資源，別人都不能用

在這樣的前提下，OS就有Timer。負責定時中斷，強迫程式交出 CPU 控制權，目的是避免程式無限迴圈或長時間佔用 CPU。

Timer就像是在提想你，不要強求，給自己留些處理空間。讓你有機會切換到更值得的過程。

開機流程(Bootstrap Process)

電腦開機時，會執行bootstrap program(啟動程式)，bootstrap program裡面儲存著firmware，主要負責初始化 CPU、記憶體與裝置控制器，然後載入kernel。kernel執行後，會載入系統程式(稱為 daemon，常駐程式)，例如Linux 中第一個系統程式是 systemd。系統完成開機後，就等待「事件」(例如：鍵盤輸入、網路請求)。

總之，這邊一共會有兩個重點。第一個重點是電腦開機後的bootstrap program。bootstrap program包含：

• 初始化 CPU（讓它有邏輯能思考）
• 設定記憶體
• 啟動裝置控制器（像硬碟、滑鼠、螢幕）
• (最重要)把作業系統（Kernel）從硬碟載入記憶體中

然後由 Kernel 正式接手，開始管理整台系統。而當 Kernel 成功載入後，它會開始做：

• 啟動系統背景程式（稱為 daemon，意思是常駐服務）(例如 Linux 系統中最早啟動的是 systemd)
• 設定好網路、檔案系統、使用者管理等
• 載入登入介面、桌面環境
• 最後，系統進入等待事件（event-driven）模式(等待user開始下指令)

Linker & Loader

當我們寫好一支程式後，(例如 main.c)你不能直接執行它。它必須經過以下流程：
第一，編譯器（Compiler）：負責將 .c 原始程式碼編譯成 物件檔（Object File），也就是 .o 檔案。這個階段只處理單一原始檔，還不能執行。

第二，連結器（Linker）：將多個物件檔和函式庫合併成最終的 可執行檔（Executable File），也就是 .exe（Windows）或無副檔名的執行檔（Linux）。連結器有兩種方式：

• 靜態連結（Static Linking）：把函式庫內容直接寫進執行檔中，執行時不再需要外部函式庫。檔案較大，但獨立性高。
• 動態連結（Dynamic Linking）：不直接寫入內容，只留下「之後再載入」的資訊。等程式真的執行時，才載入對應的共享函式庫（例如 .dll 或 .so）。檔案小，但執行時需要依賴外部函式庫。

第三，載入器（Loader）：作業系統的元件，負責將程式載入記憶體、配置資源，準備執行。此階段會進行：

• 呼叫 fork()：建立一個新的行程（process）
• 呼叫 exec()：將 main 程式碼載入該行程的記憶體中，開始執行主程式

I/O Systems Overview

那那那，我再把I/O Systems的東西，再這邊多做個補充，快寫完了(((

其實鍵盤，滑鼠，喇叭這類電腦周邊裝智是超級難搞的。因為每個周邊裝置都有自己對應的操作功能跟需求。但總不能叫每個開發者都懂每個裝置的通訊協定吧。因此這邊提出的解法是，OS扮演「中介」的角色。統一管理五花八門的裝置，讓開發者可以統一用read()、write() 這種簡單方法就搞定。

當前在I/O技術的兩大趨勢(彼此衝突，但也並存)：

• 標準化（Standardization）：裝置介面越來越統一，讓驅動程式能通用。
• 多樣化（Diversification）：裝置越來越奇怪，每個都想有自己的通訊方式。

而OS的挑戰就在於：在統一的管理架構中處理日益複雜的多樣裝置。OS會透過一些實體路線傳訊號跟I/O傳輸，例如：

• Port：早期的 I/O 通訊線（例如印表機的 LPT1）
• Bus（匯流排）：像資料的高速公路，常見如 PCIe、SATA、USB

Memory-Mapped I/O

而為了讓CPU跟I/O5裝置交互更方便，有一種設計較Memory-Mapped I/O，也就是把裝置「偽裝成」記憶體的一部分。舉例來說：

• CPU 想要「檢查硬碟狀態」，就去讀某個記憶體位置（其實是對映到裝置的 status 暫存器）
• 要寫入資料到音效卡：就對某個記憶體地址「寫入資料」，裝置就會讀到。

透過這樣的方式，CPU 就可以用一般 mov 或 ld/st 指令來控制裝置，不需要額外的 I/O 指令集。

耶~~這個章節結束了，明天就可以進到新的章節：Process搂