在 程序是什么 中，我们把软件程序简化为独占 CPU 的、有固定开始和结束时间的软件。这与你真正体验到的计算机有较大区别：
- 真实的计算机可以根据用户的指令运行不同的程序。在 Windows 中，双击鼠标就会启动一个程序，在它运行结束后计算机并不会关闭，而是让你拥有继续运行别的程序的自由。
- 真实的计算机可以同时运行好多程序，例如我在写下本篇文档时（Chrome 浏览器），同时在听音乐（网易云）。
要实现以上功能，单纯的一个 CPU 和一个程序是做不到的。缺失的部分就是本文介绍的对象：操作系统。你可能已经在别的地方听说过 系统 / 操作系统 / OS 这样的词，并且觉得很割裂：我们的主线章节对 CPU 的介绍中，完全没有给操作系统留位置。事实上，操作系统也只是一个软件程序而已。这个软件先于其他普通软件启动，并且具有运行和管理普通软件的功能。本文介绍操作系统的两个功能，分别对应上面两点：
- 加载和运行用户程序
- 进程管理
操作系统如何运行其他程序 #
我们在 CPU的基本原理 中已经知道，CPU 有一个指令计数器（Program counter, PC），它指向了当前执行的指令地址，所有的分支和跳转都是通过改变 PC 的值完成的。因此，“加载运行用户程序”这件事情听起来高大上，但无非就是 a. 操作系统把 PC 修改为用户程序第一条指令的地址；b. 用户程序执行完毕后，将 PC 改回跳转前的地址，即操作系统程序内的某条指令地址。
前面提到的“加载运行用户程序”的描述，是基于早期的实模式计算机而言的。在这种情况下，操作系统的工作相对简单：只需要负责将程序加载到内存的某个固定位置，并通过修改指令计数器（PC）来启动程序的运行。然而，在现代分页操作系统中，情况更加复杂：
- 操作系统首先为用户程序分配内存，并设置页表。 操作系统为每个用户程序创建一个独立的虚拟地址空间，并在页表中记录虚拟地址到物理地址的映射关系。
- 操作系统将 CPU 切换到用户态，设置指令计数器（PC）和页表基地址寄存器。 通过设置页表基地址寄存器，CPU 的内存管理单元（MMU）能够使用页表进行地址转换。当用户程序访问指令和数据时，MMU 自动将虚拟地址转换为物理地址，从而正确提取程序指令和数据。这样，用户程序可以在用户态下安全运行。
- 返回操作系统。 用户程序执行完毕后，通过系统调用（syscall）指令，将控制流交还给操作系统。
有关页表和虚拟内存的概念，我们已经在 操作系统内存管理 讨论过。接下来介绍上面提到的特权态 / 用户态、系统调用。
特权态与用户态 #
特权态（Privileged Mode）和用户态（User Mode）是 CPU 的两种运行模式，用于区分操作系统与用户程序的权限级别；一部分敏感指令被划分为特权指令，只能在特权态执行（例如设置页表基地址、修改中断向量，等等）。这种机制通过 CPU 中的一个标志寄存器实现，逻辑如下：
if (status_register != privileged && instruction_type == privileged) {
refuse_to_execute
}异常 #
异常（Exception）是 CPU 提供的硬件机制。当异常发生时，当前的执行流被打断，PC 跳转到一个提前设置好的地址（存放在一个特殊的寄存器中，我们称之为异常向量寄存器；其实叫中断向量寄存器的说法更普遍，但是容易把 Exception 和 Interrupt 概念搞混）。在这里我们只介绍 Exception 的一种：Syscall。（在本文中，Exception = {Interrupt, Trap, Fault}。Syscall 是 Trap 的一种。）
Syscall 是 CPU 提供的指令，因此是一个硬件机制。Syscall 指令可以在用户态执行，但是它的效果是切换到特权态，同时 PC 跳转到异常向量寄存器指定的地址。这个地址存放的是操作系统的程序，这样就完成了控制流从用户程序到操作系统的交接。因此，syscall 是用户和操作系统的交界面，也是软件和硬件的交界面。
CPU 上电时即处于特权态。操作系统是 CPU 上电后第一个运行的复杂程序，因此它可以设置异常向量寄存器，之后再切换到用户态运行其他程序。由于用户态无法修改异常向量寄存器，操作系统就这样保证每次 syscall 跳转到的都是自己的程序，从而确立了自己的管理地位。
操作系统如何同时执行许多程序 #
写给专业读者：这一节我们介绍时间片的概念。简化起见，假设 CPU 只支持串行。
想象一个公园门口有三个设施：门票售卖、冰激凌售卖、核酸检测。但很不巧，今天人手不足，工作人员只有一位。怎么样同时运行这三个设施呢？理所当然地，工作人员分身乏术，同一时刻只能服务一个窗口。
一个容易想到的方案是：让他在门票窗口工作一分钟，然后到冰激凌窗口工作一分钟，再到核酸检测窗口工作一分钟，如此循环往复，同时服务三列排队的游客。
操作系统正是实现了类似的方案。为了用一个 CPU 核心同时服务多个程序，引入了 分片 的概念。操作系统同时运行多个程序 $p_1, p_2, …, p_n$，当 $p_i$ 运行了一段固定时间（称为时间片）后，就切换到 $p_{i+1}$ 执行，如此循环往复。一个时间片的长度往往在几十毫秒的级别，因此在人类看来，这些程序就是同时执行的（实际上它们是以极高的频率轮流执行）。
每个运行的程序称之为一个 进程（Process）。进程从 A 切换到 B 时，有几件重要的工作要做：
- 保存 A 的上下文，包括 CPU 的通用寄存器的值、PC 等，操作系统会把这些值从寄存器复制到属于 A 的内存数据结构中；
- 将页表基址寄存器替换为 B 的页表基址，以便后续 B 运行时访问自己的程序和数据；
- 恢复 B 上次切换时保存的上下文，即：将通用寄存器的值从 B 的相关内存数据结构中复制回寄存器，同时把上次保存的 PC 值复制回 PC；
- 切换到用户态，B 的程序自然从刚才恢复的 PC 开始执行。
笼统地讲，每次进程切换都是在给进程 A 的 CPU 状态拍快照，然后把进程 B 上次拍的快照恢复到 CPU 中。