我们知道在多进程环境下，操作系统通过不停地在各进程间切换来分享CPU，以达到CPU虚拟化的目的。那么CPU是怎样实现这一目的的呢？
1. 不加限制
先来看看操作系统不限制进程行为时的模型。
若要运行程序，操作系统要进行以下几个步骤：
- 在进程列表中为程序创建一条记录
- 为程序分配内存
- 把程序从磁盘读取到内存
- 设置启动参数
argc/argv - 清空寄存器（被上一个进程使用过）
- 定位程序入口（比如
main()）所在地址 - 跳转到程序入口，执行用户程序
- 等待程序运行结束，释放该程序所使用的内存，从进程列表将其移除
以上整个步骤看起来非常简单，感觉本就理应如此。但是其中存在有一些安全隐患：
- 用户程序里的非法操作会直接得到执行：既然程序掌握了CPU控制权，它会不会申请更多的内存？会不会发起非法的I/O操作？
- 用户程序可能会霸占CPU：若用户程序一直不返回，操作系统将无法切换进程。
2 限制程序行为
为了在用户程序运行时限制其操作，操作系统把一些核心的操作保护起来，封装成系统调用（system call），比如I/O操作、申请内存、更改文件权限等操作。当用户程序调用系统调用时，CPU会进入内核态（kernel mode），在内核态执行相关的系统程序，执行完成后退出内核态，进入用户态（user mode），把CPU的控制权返回给用户程序。
也就是说，操作系统禁止用户程序直接执行敏感操作。用户程序必须在user mode向操作系统申请执行某项敏感操作，在获得操作系统同意后，系统会在kernel mode替用户程序完成这项操作。
那么当用户程序执行系统调用时，CPU的控制权该怎么移交给操作系统呢？
之前我们说到，程序就是有序的指令序列，系统调用也不例外。系统调用会被编译成特殊的trap指令，当CPU执行到trap指令时，会跳转到其对应的处理程序。然后进入kernel mode，完成相应的处理操作。处理完之后，操作系统会执行特殊的return-from-trap指令，进入user mode，继续执行用户程序。
那么，如何跳转到trap对应的trap-handle程序呢?
操作系统在启动时会维护一张trap table，记录了多个trap以及其trap-handler的位置，然后通过特殊的指令告知硬件trap handler的位置。当然，这些指令必须在kernel mode下执行。
3. 回收控制权
现在来解决第二个问题，操作系统如何在用户程序运行时收回CPU的控制权呢？等待用户程序发起系统调用？要是用户程序不发起系统调用，一直无限循环呢？
答案很简单，使用定时器引发中断（timer interrupt）。操作系统每隔一段时间就会启动timer，超时之后引发中断，中断由硬件实现。发生中断后会跳转到操作系统中的中断处理程序，这样操作系统就重新获得了CPU的控制权。
interrupt与trap基本同义，都是在操作系统启动时初始化处理程序，并由硬件记录其地址。
关于进程如何调度，暂且不表。
（完）
References: