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CPU 指令集、权限与用户态内核态机制

news 2025/10/27 13:24:26

一、CPU 指令集概述

二、CPU 指令集的权限分级机制

三、内核态与用户态的定义及权限差异

1、ring 0（内核态）

2、ring 3（用户态）

四、内存资源的使用限制与划分

五、用户态与内核态的切换机制

1、触发用户态到内核态切换的场景

1. 系统调用

2. 异常

3. 中断

2、切换时 CPU 的操作流程

3、切换流程详解

一、CPU 指令集概述

CPU 指令集是 CPU 实现软件指挥硬件执行动作的关键媒介。
具体而言，每一条汇编语句都精准对应一条 CPU 指令。
众多 CPU 指令汇聚在一起，可构成一个甚至多个集合，这些指令的集合便被称为 CPU 指令集。

二、CPU 指令集的权限分级机制

CPU 指令集具备权限分级特性。由于 CPU 指令集可直接操作硬件，一旦指令操作不规范，极有可能引发严重错误，进而影响整个计算机系统的稳定运行。例如，开发人员若因对硬件操作不熟悉，在编写程序时出现失误，可能导致操作系统内核以及所有正在运行的程序遭受不可挽回的损害，最终只能通过重启计算机来恢复系统。

对于开发人员来说，确保硬件操作的准确性和安全性是一项艰巨的任务，这不仅增加了开发负担，而且开发人员在这方面的操作能力往往不被充分信任。因此，操作系统内核直接屏蔽了开发人员对硬件操作的可能性，禁止开发人员直接接触 CPU 指令集。

为满足这一需求，硬件设备商提供了硬件级别的支持，具体做法是对 CPU 指令集设置权限。不同级别的权限所能使用的 CPU 指令集是有限的。以 Intel CPU 为例，Intel 将 CPU 指令集操作的权限由高到低划分为 4 个等级：

ring 0：权限最高，可自由使用所有 CPU 指令集。
ring 1：权限次之。
ring 2：权限再次之。
ring 3：权限最低，仅能使用常规 CPU 指令集，无法使用操作硬件资源的 CPU 指令集，例如 IO 读写、网卡访问、内存申请等操作均不可行。

需要特别指出的是，Linux 系统仅采用 ring 0 和 ring 3 这两个权限级别。在 CPU 中，存在一个标志字段，用于标识线程的运行状态，其中用户态对应数值 3，内核态对应数值 0。

三、内核态与用户态的定义及权限差异

1、ring 0（内核态）

完全在操作系统内核中运行。
执行内核空间的代码时，处于 ring 0 保护级别，拥有对硬件的所有操作权限，可执行所有 CPU 指令集，并能够访问任意地址的内存。
然而，在内核模式下，任何异常都可能是灾难性的，甚至会导致整台机器停机。

2、ring 3（用户态）

在应用程序中运行。
在用户模式下，处于 ring 3 保护级别，代码没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问特定地址的内存。
程序通过调用系统接口（System Call APIs）来实现对硬件和内存的访问。在这种保护模式下，即使程序发生崩溃，也是可以恢复的。
在电脑上，大部分程序都在用户模式下运行。

低权限的资源范围相对较小，而高权限的资源范围更大。因此，用户态与内核态的概念本质上就是 CPU 指令集权限的差异体现。

四、内存资源的使用限制与划分

我们通过指令集权限来区分用户态和内核态，同时还对内存资源的使用进行了限制。操作系统为用户态与内核态划分了两块独立的内存空间，并分配给它们对应的指令集使用。

在内存资源使用方面，操作系统对用户态与内核态做出了明确限制。每个进程创建时都会被分配虚拟空间地址。以 Linux 32 位操作系统为例，其寻址空间范围为 4G（2 的 32 次方）。操作系统会将虚拟控制地址划分为两部分：一部分为内核空间，另一部分为用户空间。高位的 1G（从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF）由内核使用，而低位的 3G（从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF）由各个进程使用。

用户态：只能操作 0 - 3G 范围的低位虚拟空间地址。
内核态：可操作 0 - 4G 范围的虚拟空间地址，尤其是对 3 - 4G 范围的高位虚拟空间地址，必须由内核态进行操作。其中，3G - 4G 部分是所有进程共享的（即所有进程的内核态逻辑地址共享同一块内存地址），这是内核态的地址空间，存放着整个内核的代码、所有的内核模块以及内核所维护的数据。

在内核运行过程中，会涉及内核栈的分配。内核的进程管理代码会将内核栈创建在内核空间中，同时相应的页表也会被创建。