Linux 内核态和用户态

引言

  在学习操作系统的过程中间，经常能听到内核态、用户态的说法，但是一直没有详细研究过。现在也有了 ARM 架构的基础，索性研究一下。本篇文章建立在读者已有 ARM 架构基础的前提下，建议不了解的读者，可以读一读之前写过的几篇文章：

ARM 学习笔记（一）

ARM 学习笔记（二）

  本篇文章中，对 ARM 架构相关的知识不会再做详细讲解，所有细节前面链接中的文章都有涉及。

1、用户态与内核态的虚拟地址空间布局

  在 ARM32（ARMv7-A）架构中，虚拟地址空间的管理完全依赖于 MMU（Memory Management Unit） 的页表机制。系统通过页表将虚拟地址转换为物理地址，并通过页表项中的访问权限位控制访问权限。

TTBR 寄存器与页表基址

ARMv7-A 体系结构提供了两个页表基址寄存器：

• TTBR0（Translation Table Base Register 0）
• TTBR1（Translation Table Base Register 1）

每个寄存器都保存一张页表的物理基地址。

这两个寄存器共同决定了整个虚拟地址空间的映射。

• TTBR0 通常用于映射用户空间（User Space）
• TTBR1 通常用于映射内核空间（Kernel Space）

  通过 Translation Table Base Control Register（TTBCR） 可以配置地址分界点（split point），确定虚拟地址的哪一部分由 TTBR0 还是 TTBR1 负责。

TTBR 访问权限与异常级别

TTBR0 和 TTBR1 寄存器的访问权限受到特权级限制：

• 只有 PL1（Privileged Level 1） 及以上（即内核态）才能访问或修改
• 运行在 PL0（User mode） 的用户程序无法读取或更改这两个寄存器，因此用户态无法直接获知或篡改页表基址

用户态与内核态的虚拟地址划分

  在典型的 Linux on ARM32 系统中，虚拟地址空间按如下方式划分（假设 4 GB 虚拟空间）：

• 每个进程拥有独立的用户空间（由 TTBR0 页表描述）
• 所有进程共享同一个内核空间映射（由 TTBR1 页表描述）

进程切换时的页表管理

当发生进程切换（Context Switch）时：

• TTBR0（用户页表）会被更新，以加载新的进程地址空间；
• TTBR1（内核页表）保持不变，所有进程共享相同的内核映射。

这种设计的优点是：

• 避免在切换进程时反复重建或刷新内核页表；
• 减少 TLB（Translation Lookaside Buffer）失效，提高切换效率；
• 保证所有进程都能在陷入内核态时访问相同的内核代码和数据。

2、用户态与内核态之间的隔离机制

  在 Linux 操作系统中，用户态（User Mode）与内核态（Kernel Mode）之间的访问隔离机制是保障系统安全与稳定性的核心基础。

  用户态应用程序运行在受限的权限级别下，无法直接访问硬件设备或内核数据结构。当用户程序需要执行特权操作（例如访问文件系统、分配内存或进行 I/O 操作）时，必须通过 系统调用（System Call） 接口请求内核代为完成。

  内核态则运行在最高特权级，拥有对所有硬件资源和内存空间的完全访问权限。它负责处理中断、异常和系统调用请求，从而在提供服务的同时，防止用户程序越权访问或破坏系统资源。

以 ARMv7-A（ARM32） 架构为例，这种访问限制通过 页表项（Page Table Entry） 中的访问控制位实现：

• AP（Access Permission bits） 用于区分用户态与特权态的读写访问权限；
• PXN（Privileged eXecute Never）位 则用于禁止特权级（内核态）在特定内存区域执行代码，从而增强系统安全性。
  
  这种基于硬件的权限隔离机制确保了：
  用户态程序只能通过受控的接口与内核交互，而不会直接干扰系统核心或其他进程的运行。

3、用户态与内核态的切换与通信

  常见的，用户态的应用程序可以通过以下几种方式来访问内核态的资源：

• 系统调用
  • shell 脚本、库函数等方式，也可以实现访问内核资源，但是本质上是对系统调用的封装，所以还是属于 “系统调用” 这一类
  • 深入 ARM-Linux 的系统调用世界
• 中断：当 CPU 在执行用户态的进程时，外围设备可能向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条指令，转到与中断信号对应的处理程序去执行，也就是切换到了内核态，执行中断处理程序
• 异常：当 CPU 在执行用户态的进程时，发生了一些没有预知的异常，这时当前运行进程会切换到处理此异常的内核相关进程中，也就是切换到了内核态，如缺页异常
• 信号：内核通过信号通知用户态进程发生了某些事件，用户态程序可以注册信号处理函数来响应特定的信号事件。例如，SIGTERM 和 SIGINT 等信号就是用于通知进程终止或中断的信号
• ioctl：这是内核较早的一种用户态和内核态的交互方式。用户态程序通过命令的方式调用 ioctl 函数，然后内核态分发到对应驱动处理，最后将处理结果返回到用户态
• procfs/sysfs：在 Linux 中，procfs 和 sysfs 是特殊的文件系统，用于内核与用户空间之间的信息交互。procfs提供了内核和进程的各种信息，而 sysfs 则提供了设备和驱动的信息。用户态程序可以通过读取这些文件系统中的文件来获取内核信息，也可以通过写入特定的文件来配置内核或驱动