操作系统的诞生是位了更好更方便的管理使用计算机，因此对于操作系统一定存在接口供我们使用。这一篇就是为了搞清楚接口及其实现。

接口

用户使用计算机的方式主要有：命令行、图形按钮、应用程序。

其本质都是应用程序，并调用了相关系统接口函数，我们将这些函数称为系统调用。

其中最常用的标准有POSIX: Portable Operating System Interface of Unix(IEEE制定的一个标准族)。

为什么要有接口呢？这是因为如果可以随意访问内存像实模式汇编那样，这将产生巨大的安全问题。因此对于那些我们不能直接访问的内存就要通过系统调用来操作。

接口实现

隔离访问

为了用户不能直接访问特定内存，于是引入了内核态和用户态，而这两者的实现就需要靠硬件来完成。

内核态和用户态

如上图所示，内核态时就可以访问任何内存，而用户态就有限制。

这两者的区分主要就是靠CPL、DPL、RPL，这里用前两个举例，DPL是目标段的特权等级，而CPL是当前指令所在段的特权等级也就是处于上面态。只要DPL大于等于CPL时才能访问目标。

DPL存在于各自GDT表项中，在head.s中初始化；而CPL存在于cs寄存器的最后两位。

到此就实现了访问的隔离。

访问内存

操作系统中虽然要隔离特定内存的访问，但在使用时必然要使用那些不可访问的内存，如系统调用。这时就需要方法使接口可以使用不可访问内存，这个方法就是使用中断，就如系统调用内部就是用了中断来实现相关操作。

中断就会使程序进入操作系统中相关的中断处理函数，并将用户态转变为内核态；当中断完成后再从内核态变为用户态。

graph TD subgraph 系统调用 r3[用户程序] --执行int中断--> r0[内核] --int中断执行结束--> r[用户程序] end

下面使用printf举例（printf是C库函数，write中的宏展开才能算作系统调用）。

printf调用实现

c库write函数中的关键的宏是__syscall3(int, write, int, fd, const char *, buf, off_t, count)。其展开如下图：

宏_systemcall3

此外搭配宏#define __NR_write 4这是相关系统调用的函数索引表下标。

根据上图，宏展开的就是：

int write(int fd, const char *buf, off_t count)
{
    long __res;
    __asm__ volatile("int 0x80"
                     :"=a"(__res)
                     :""(__NR_write),"b"((long)(fd)),"c"((long)(buf)),"d"((long)(count))
                    );
    if (__res >= 0)
        return (int)__res;
    errno = -__res;
    return -1;
}

这里的第4行就调用了中断执行操作系统中相关的操作。

第5行表示将中断的返回值eax寄存器中的值放入变量__res中。

第7行则为中断需要的参数。第一个""表示沿用上一个寄存器eax，赋值为4；同时以此类推ebx=fd, ecx=buf,edx=count。

这样就可以通过中断来将字符串打印出来。

那么这个中断内部又是如何呢？

这首先要回到操作系统初始化的地方，在那里我们有初始化IDT表，这时中断的关键，如下图是对中断0x80 的中断表项初始化。

初始化0x80的IDT表项