CPU的用户态（用户模式）和核心态（内核态）
CPU的用户态（用户模式）和核心态（内核态）是操作系统对处理器权限的两种划分模式，旨在保障系统安全性和资源管理效率。以下是具体解释：
1. 核心态（Kernel Mode）
核心态是操作系统内核运行的特权模式，拥有最高权限。在此模式下，CPU可以执行所有指令，包括直接访问硬件（如内存、磁盘、网络设备）和修改系统关键数据结构（如进程表、中断向量表）。例如：
- 操作系统进行内存分配、进程调度、设备驱动操作等任务时，必须处于核心态。
- x86架构中，核心态对应特权级别Ring 0，代码可绕过硬件限制直接操作物理地址。
2. 用户态（User Mode）
用户态是普通应用程序的运行模式，权限受限。在此模式下，CPU无法直接访问硬件或敏感资源，只能通过系统调用请求内核代其完成特权操作。例如：
- 用户程序读写文件时需通过系统调用（如
read()或write()），由内核验证权限并执行实际I/O操作。 - x86架构中，用户态对应特权级别Ring 3，代码仅能访问受限的内存区域。
核心区别
| 特征 | 核心态 | 用户态 |
|---|---|---|
| 权限 | 可执行所有指令，直接控制硬件 | 仅能执行非特权指令 |
| 内存访问 | 可访问全部物理内存和内核空间 | 仅限进程的虚拟地址空间 |
| 中断处理 | 不可被抢占（如处理硬件中断） | 可被抢占（如时间片用完） |
| 典型场景 | 系统调用、中断处理、异常处理 | 应用程序代码执行 |
切换条件
用户态与核心态的切换通常通过以下三种机制触发：
- 系统调用：用户程序主动请求内核服务（如创建进程、文件操作），通过陷阱指令（如
int 0x80）触发切换。 - 异常：CPU执行用户程序时发生错误（如除零、缺页），自动转入内核处理。
- 硬件中断：外设完成操作后发送中断信号（如磁盘I/O完成），CPU暂停当前任务处理中断。
切换过程包括：保存用户态寄存器状态→切换至内核栈→执行内核代码→恢复用户态上下文。
设计目的
- 安全性：防止用户程序直接操作硬件或破坏系统稳定性。
- 资源管理：通过统一的内核接口控制硬件资源，避免冲突（如多个进程同时写磁盘）。
- 效率优化：核心态代码可高效调度资源（如多级存储结构弥补CPU与I/O速度差异）。
通过这种分层设计，操作系统既能保障关键任务的高效执行，又能隔离用户程序的潜在风险。