用户空间与内核空间切换机制详解

用户空间与内核空间切换机制详解

一、切换触发条件

用户态与内核态的切换由以下三类事件触发：

1. ‌系统调用‌
   用户程序主动通过int 0x80（x86）或ecall（RISC-V）等指令发起系统调用，请求内核服务（如文件读写、进程创建等）。此时CPU自动进入内核态处理请求，完成后返回用户态‌。
2. ‌硬件中断‌
   当外围设备（如网卡、磁盘）完成操作后发送中断信号，CPU暂停当前用户态任务，切换到内核态执行中断处理程序‌14。
3. ‌异常事件‌
   用户态程序执行时若发生缺页异常、除零错误等未预知的异常，CPU自动切换到内核态处理异常，可能终止进程或恢复执行‌。

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二、切换流程与核心步骤

1. ‌上下文保存‌
   • CPU将用户态寄存器状态（如程序计数器PC、堆栈指针SP、通用寄存器）保存到当前进程的‌内核栈‌中，确保返回时能恢复原执行现场‌。
   • 特权级别从‌Ring 3（用户态）‌提升至‌Ring 0（内核态）‌，开启对硬件资源的直接访问权限‌15。
2. ‌内核栈初始化‌
   • 每个进程拥有独立的内核栈，切换时CPU将堆栈指针指向内核栈，并加载内核代码段的基地址‌。
   • 通过‌TSS（任务状态段&#x