为什么汇编语言不能越过操作系统操控硬件？
之所以汇编语言不能“越过”操作系统去直接操控硬件，说到底是因为硬件设计者和操作系统设计者之间建立了一套严格的、有层次的访问规则，汇编语言是这套规则下的产物，它只能按照规则来行事。
想象一下，你不是直接和电灯开关对话，而是需要先通过一个总控制面板，这个面板上有很多按钮和指示灯，它们代表了不同的功能，而你只能通过操作这个面板上的按钮来间接控制灯。操作系统就像那个总控制面板，而汇编语言则是在你面前的那个操作面板上的具体按钮。
具体来说，有这么几个关键原因：
1. 硬件抽象层（HAL）与保护模式：
现代计算机的CPU在工作时，并不是直接裸奔着执行指令的。它们通常运行在所谓的“保护模式”（Protected Mode）下，这是由CPU本身设计支持的。操作系统运行在特权级别（通常是Ring 0），而我们编写的汇编程序（以及高级语言程序）运行在用户模式（User Mode），通常是Ring 3。
特权级别是关键的防火墙。 操作系统因为它运行在最高特权级别，拥有访问CPU所有功能和硬件资源的权限。而用户模式下的程序，则受到CPU和操作系统的严格限制，不能直接执行那些可能破坏系统稳定性或安全性的指令。
硬件抽象层（HAL）是操作系统的一部分。 操作系统内部有一层叫做硬件抽象层。这层代码知道如何与特定的硬件通信，例如如何发送命令给显卡驱动，如何读取硬盘数据，如何管理内存。当你的汇编程序想要执行一个“硬件相关”的操作时，它实际上是通过调用操作系统的功能（系统调用）来完成的。操作系统中的HAL就会介入，按照正确的时序和方式，向硬件发出指令。汇编语言本身没有能力直接绕过HAL去找到那个硬件的“开关”。
2. 统一的接口与设备驱动：
硬件种类繁多，制造厂商也各不相同。每块显卡、每块网卡、每种硬盘的控制方式都有其独特之处。如果每个程序都要学习如何直接和这些不同的硬件对话，那将是灾难性的。
设备驱动是翻译器。 操作系统提供了设备驱动程序。你可以把驱动程序理解成硬件和操作系统之间的翻译官。汇编语言想要操作某个硬件，它只能通过调用操作系统提供的标准接口（例如，Linux下的`write()`系统调用，Windows下的各种API函数），然后操作系统再把这个请求交给对应的设备驱动来处理。驱动程序知道如何将通用的操作请求，转化为具体硬件能理解的低级指令序列。
汇编语言是遵守规则的。 汇编语言指令是针对特定CPU架构设计的，但它并没有内置关于如何与一块NVIDIA显卡或Intel网卡进行通信的知识。它的能力范围仅限于操作CPU的寄存器、内存，以及调用操作系统提供的服务。
3. 内存管理与虚拟内存：
操作系统负责管理所有的内存。它为每个运行的程序分配一块独立的虚拟地址空间，并通过内存管理单元（MMU）将虚拟地址映射到物理地址。
地址空间保护。 如果汇编语言可以直接读写任意物理内存地址，那么一个程序就能轻易地读取另一个程序的内存数据，或者覆盖操作系统的关键数据，导致整个系统崩溃。操作系统通过内存管理机制阻止了这种行为。汇编程序想要访问内存，也必须通过操作系统分配的地址空间，并且不能访问操作系统保留的区域或物理内存的特定控制区域。
内存映射设备（MMIO）。 一些硬件的控制寄存器是通过内存地址来访问的（MemoryMapped I/O）。即使汇编语言能够直接访问物理内存，它也需要知道具体的物理地址才能操作这些寄存器。而这些物理地址通常由操作系统在启动时分配和管理，并且可能在不同启动时发生变化。没有操作系统的介入，汇编语言很难精确地找到并访问这些映射的内存区域。
4. 资源调度与并发控制：
操作系统负责调度CPU时间片，管理各种硬件资源（如磁盘I/O、网络连接等），并处理多个程序并发运行的情况。
避免冲突。 如果汇编语言可以随意访问硬件，那么当两个程序同时试图写同一个磁盘扇区时，就可能发生数据损坏。操作系统通过队列、锁等机制来协调对共享资源的访问，确保程序的有序运行。汇编语言没有能力自己去“排队等待”或者“加锁”。
系统服务。 汇编程序要发送一个硬碟读写指令，它必须通过操作系统。操作系统会把这个请求放入磁盘I/O队列，等待磁盘控制器处理。这个过程汇编语言无法绕过。
5. 安全性与稳定性：
这是最核心的原因之一。如果没有操作系统的保护层，任何一个有bug的程序或者恶意的程序，都可以直接损坏硬件（例如，给显卡发送错误的指令，烧毁它，虽然现在硬件设计有所保护，但理论上存在风险），或者窃取其他程序的数据，甚至导致整个系统死机。
隔离。 操作系统就像一个安全的沙盒，它确保每个程序都在自己的“地盘”里活动，不会影响到其他程序或操作系统本身。汇编语言作为程序的一部分，自然也受到这个沙盒的限制。
总结一下，汇编语言之所以不能“越过”操作系统操控硬件，是因为：
CPU的设计（保护模式）强制了权限隔离。
操作系统建立了一层抽象（HAL、驱动）来统一管理硬件。
操作系统控制内存和地址空间，防止非法访问。
操作系统负责资源调度和协调，避免冲突。
操作系统的存在是为了保证系统的安全性和稳定性。
汇编语言非常接近硬件，但它依然是在一个由CPU和操作系统共同构建的框架内运作的。它能够直接操作CPU的寄存器和执行基本的算术逻辑运算，这些是它的强项，但对于更高级的硬件交互，它必须依赖操作系统这个“中间人”来完成。就像你手里有一把万能钥匙（汇编语言），但你只能通过门卫（操作系统）递给你允许通过的卡片，才能打开某些房间的门。
想象一下，你不是直接和电灯开关对话，而是需要先通过一个总控制面板，这个面板上有很多按钮和指示灯，它们代表了不同的功能，而你只能通过操作这个面板上的按钮来间接控制灯。操作系统就像那个总控制面板，而汇编语言则是在你面前的那个操作面板上的具体按钮。
具体来说，有这么几个关键原因：
1. 硬件抽象层（HAL）与保护模式：
现代计算机的CPU在工作时，并不是直接裸奔着执行指令的。它们通常运行在所谓的“保护模式”（Protected Mode）下，这是由CPU本身设计支持的。操作系统运行在特权级别（通常是Ring 0），而我们编写的汇编程序（以及高级语言程序）运行在用户模式（User Mode），通常是Ring 3。
特权级别是关键的防火墙。 操作系统因为它运行在最高特权级别，拥有访问CPU所有功能和硬件资源的权限。而用户模式下的程序，则受到CPU和操作系统的严格限制，不能直接执行那些可能破坏系统稳定性或安全性的指令。
硬件抽象层（HAL）是操作系统的一部分。 操作系统内部有一层叫做硬件抽象层。这层代码知道如何与特定的硬件通信，例如如何发送命令给显卡驱动，如何读取硬盘数据，如何管理内存。当你的汇编程序想要执行一个“硬件相关”的操作时，它实际上是通过调用操作系统的功能（系统调用）来完成的。操作系统中的HAL就会介入，按照正确的时序和方式，向硬件发出指令。汇编语言本身没有能力直接绕过HAL去找到那个硬件的“开关”。
2. 统一的接口与设备驱动：
硬件种类繁多，制造厂商也各不相同。每块显卡、每块网卡、每种硬盘的控制方式都有其独特之处。如果每个程序都要学习如何直接和这些不同的硬件对话，那将是灾难性的。
设备驱动是翻译器。 操作系统提供了设备驱动程序。你可以把驱动程序理解成硬件和操作系统之间的翻译官。汇编语言想要操作某个硬件，它只能通过调用操作系统提供的标准接口（例如，Linux下的`write()`系统调用，Windows下的各种API函数），然后操作系统再把这个请求交给对应的设备驱动来处理。驱动程序知道如何将通用的操作请求，转化为具体硬件能理解的低级指令序列。
汇编语言是遵守规则的。 汇编语言指令是针对特定CPU架构设计的，但它并没有内置关于如何与一块NVIDIA显卡或Intel网卡进行通信的知识。它的能力范围仅限于操作CPU的寄存器、内存，以及调用操作系统提供的服务。
3. 内存管理与虚拟内存：
操作系统负责管理所有的内存。它为每个运行的程序分配一块独立的虚拟地址空间，并通过内存管理单元（MMU）将虚拟地址映射到物理地址。
地址空间保护。 如果汇编语言可以直接读写任意物理内存地址，那么一个程序就能轻易地读取另一个程序的内存数据，或者覆盖操作系统的关键数据，导致整个系统崩溃。操作系统通过内存管理机制阻止了这种行为。汇编程序想要访问内存，也必须通过操作系统分配的地址空间，并且不能访问操作系统保留的区域或物理内存的特定控制区域。
内存映射设备（MMIO）。 一些硬件的控制寄存器是通过内存地址来访问的（MemoryMapped I/O）。即使汇编语言能够直接访问物理内存，它也需要知道具体的物理地址才能操作这些寄存器。而这些物理地址通常由操作系统在启动时分配和管理，并且可能在不同启动时发生变化。没有操作系统的介入，汇编语言很难精确地找到并访问这些映射的内存区域。
4. 资源调度与并发控制：
操作系统负责调度CPU时间片，管理各种硬件资源（如磁盘I/O、网络连接等），并处理多个程序并发运行的情况。
避免冲突。 如果汇编语言可以随意访问硬件，那么当两个程序同时试图写同一个磁盘扇区时，就可能发生数据损坏。操作系统通过队列、锁等机制来协调对共享资源的访问，确保程序的有序运行。汇编语言没有能力自己去“排队等待”或者“加锁”。
系统服务。 汇编程序要发送一个硬碟读写指令，它必须通过操作系统。操作系统会把这个请求放入磁盘I/O队列，等待磁盘控制器处理。这个过程汇编语言无法绕过。
5. 安全性与稳定性：
这是最核心的原因之一。如果没有操作系统的保护层，任何一个有bug的程序或者恶意的程序，都可以直接损坏硬件（例如，给显卡发送错误的指令，烧毁它，虽然现在硬件设计有所保护，但理论上存在风险），或者窃取其他程序的数据，甚至导致整个系统死机。
隔离。 操作系统就像一个安全的沙盒，它确保每个程序都在自己的“地盘”里活动，不会影响到其他程序或操作系统本身。汇编语言作为程序的一部分，自然也受到这个沙盒的限制。
总结一下，汇编语言之所以不能“越过”操作系统操控硬件，是因为：
CPU的设计（保护模式）强制了权限隔离。
操作系统建立了一层抽象（HAL、驱动）来统一管理硬件。
操作系统控制内存和地址空间，防止非法访问。
操作系统负责资源调度和协调，避免冲突。
操作系统的存在是为了保证系统的安全性和稳定性。
汇编语言非常接近硬件，但它依然是在一个由CPU和操作系统共同构建的框架内运作的。它能够直接操作CPU的寄存器和执行基本的算术逻辑运算，这些是它的强项，但对于更高级的硬件交互，它必须依赖操作系统这个“中间人”来完成。就像你手里有一把万能钥匙（汇编语言），但你只能通过门卫（操作系统）递给你允许通过的卡片，才能打开某些房间的门。
网友意见
首先，建议你看书，你问的东西太多，即使给你回答了，你可能还是不明白，因为太多基础性的东西你不知道。这些书包括Intel的开发手册（intel 架构软件开发人员手册 第3卷：系统编程指南，有部分被翻译成中文）、以及自己编写操作系统的书（这些书有很多，大多数讲的都还可以）。
以x86架构为例，x86指令运行的权限是从Ring0到Ring3的，操作系统内核运行在R0，用户程序运行在R3。
有一些指令只能在R0执行，比如修改CR寄存器（mov cr0, eax），这种操作在用户态直接会报错。因为CPU会保存当前运行的代码的CPL（当前特权级别）和IOPL（IO权限），如果CPL/IOPL不符，CPU会抛出异常，丢给内核R0的代码去处理。这种错误，是执行到某条特定指令才会遇到的，不是加载的时候遇到的，是CPU行为，不是操作系统行为。
操作系统之所以不会被限制，是因为操作系统内核运行在R0上，对CPU有完整的控制权。
计算机刚启动时，属于实模式，从实模式切换到保护模式的过程中，默认是进入到R0里的，所以操作系统在启动的过程中，是自动获得了R0的权限的。而用户代码都是被操作系统启动的，此时操作系统能控制用户代码运行在什么级别上。
那么为什么操作系统的代码就可以切换特权级而用户的代码却不可以切换特权级？
实际上可以的。Windows可以加载用户驱动到内核（但受到一些限制），这就是把用户代码放到R0里执行的过程，Linux也有类似的东西存在。
没操作系统之前二进制代码 到 操作系统 的过程是什么？
引导扇区（实模式）-> bootloader（实模式->保护模式，R0）-> 操作系统（保护模式，R0）
有操作系统以后从二进制代码 到 shell 到 内核 到硬件 过程是什么？
操作系统先加载的是内核，内核处于R0，shell已经是在用户态了。
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