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文章目录

    • 56、什么是特权指令和非特权指令?
      • 特权指令(Privileged Instructions)和非特权指令(Non-Privileged Instructions)
      • 1. **特权指令(Privileged Instructions)**
        • **定义**:
        • **特点**:
        • **常见的特权指令**:
        • **示例:x86体系中的特权指令**
        • **执行特权指令的风险**:
      • 2. **非特权指令(Non-Privileged Instructions)**
        • **定义**:
        • **特点**:
        • **常见的非特权指令**:
        • **示例:x86体系中的非特权指令**
        • **执行非特权指令的安全性**:
      • 3. **特权指令与非特权指令的区别**
      • 4. **总结**
    • 57、中断和异常的区别与联系?
      • 中断和异常的区别与联系
      • 一、**中断和异常的定义**
      • 二、**中断与异常的区别**
      • 三、**中断与异常的联系**
      • 四、**中断与异常的详细对比**
        • 1. **中断的触发与处理**
        • 2. **异常的触发与处理**
        • 3. **中断与异常的应用场景**
      • 五、**中断与异常的处理优先级**
      • 六、**总结**
    • 58、用户态转向核心态都有哪些例子?
      • 1. **系统调用(System Call)**
      • 2. **页面缺失(Page Fault)**
      • 3. **硬件中断**
      • 4. **异常处理**
      • 5. **进程调度**
      • 6. **输入/输出操作(I/O操作)**
      • 7. **信号处理**
      • 8. **线程的上下文切换**
      • 9. **动态内存分配**
      • 总结
    • 59、中断处理和子程序调用都需要压栈以保护现场,中断处理一定会保护而子程序调用不需要保存的内容是?
      • 区别在于:
      • 答案:
    • 60、下列选项中,会导致用户进程从用户态切换到内核态的操作是:
      • 总结:

56、什么是特权指令和非特权指令?

特权指令(Privileged Instructions)和非特权指令(Non-Privileged Instructions)

特权指令非特权指令是处理器指令集中的两类指令,主要依据指令对硬件资源和系统状态的访问权限来区分。操作系统和硬件设计通过这种分类来保护系统的关键资源,并防止普通应用程序对系统造成破坏。以下是对两类指令的详细解释。

1. 特权指令(Privileged Instructions)

定义

特权指令是只能在内核模式(Kernel Mode)下运行的指令。这些指令允许操作系统直接访问底层硬件资源,修改系统状态或执行与系统管理相关的操作。普通用户程序(在用户模式下运行)是不能执行这些指令的,只有操作系统的内核或经过特别授权的代码才能执行。

特点
  • 只能在内核模式下执行:特权指令只能在内核模式下由操作系统内核或设备驱动程序执行。如果在用户模式下尝试执行特权指令,会引发特权异常非法指令异常,导致程序被中断或终止。
  • 高权限访问:这些指令能够直接访问硬件设备、内存管理单元、I/O端口和中断系统等关键系统资源。
  • 用于系统管理:特权指令一般用于系统管理任务,例如内存管理、进程调度、设备控制等。
常见的特权指令
  1. I/O操作指令:用于直接访问I/O设备,例如 INOUT 指令,这些指令控制输入/输出设备的通信。
  2. 修改控制寄存器:用于修改CPU的状态寄存器或控制寄存器(如内存管理单元的配置、页表基地址寄存器的修改)。
  3. 中断控制指令:使能或禁止中断的指令(如 CLISTI),这些指令控制中断的响应与屏蔽。
  4. 修改处理器模式:改变CPU执行模式的指令,如从用户模式切换到内核模式,或者进入虚拟化模式。
  5. 关机和重启指令:用于执行系统的关机、重启操作。
示例:x86体系中的特权指令
  • CLI(Clear Interrupt Flag):清除中断标志,禁止外部中断。只有在内核模式下可以执行。
  • HLT(Halt):暂停CPU的执行,直到发生中断或复位。这通常在系统进入待机状态时使用。
  • LGDT(Load Global Descriptor Table):设置全局描述符表(GDT)的指令,用于内存分段机制。
执行特权指令的风险

如果普通用户程序能够执行特权指令,可能会导致以下问题:

  • 系统崩溃:未经授权的程序可能会修改系统控制寄存器或内存管理单元,导致系统崩溃或无法正常工作。
  • 安全漏洞:恶意软件可能通过执行特权指令控制硬件设备或窃取敏感数据,破坏系统的安全性。
  • 系统资源垄断:未经授权的程序可能会占用或滥用系统资源(如内存、I/O设备),导致其他应用无法正常运行。

为防止这些问题,处理器通常会在用户模式内核模式之间切换,当应用程序需要执行特权操作时,会通过系统调用让操作系统代理执行这些特权指令。

2. 非特权指令(Non-Privileged Instructions)

定义

非特权指令是可以在**用户模式(User Mode)**下执行的指令。它们不会直接访问系统的底层硬件资源,且不会修改关键的系统状态。这些指令通常用于用户程序的常规计算任务或逻辑操作,用户程序可以自由执行而不需要操作系统的介入。

特点
  • 可以在用户模式和内核模式下执行:非特权指令既可以在用户模式下执行,也可以在内核模式下执行。这些指令不会影响系统的关键资源,因此不需要特殊的权限。
  • 用于普通计算和数据处理:非特权指令大多是算术、逻辑运算、数据传输等指令,主要用于用户程序的日常操作。
  • 无法直接访问系统资源:这些指令无法直接控制硬件设备或修改操作系统的关键状态,需要通过系统调用让内核来代理执行特权操作。
常见的非特权指令
  1. 算术运算指令:如 ADDSUBMULDIV 等,用于进行加减乘除等基本运算。
  2. 逻辑运算指令:如 ANDORXORNOT,用于逻辑运算操作。
  3. 数据传输指令:如 MOV,用于在寄存器和内存之间传输数据。
  4. 控制指令:如 JMPCALLRET,用于控制程序的执行流程(跳转、调用函数、返回等)。
  5. 字符串操作指令:如 MOVSLODSSTOS 等,用于处理字符串或数组中的数据。
示例:x86体系中的非特权指令
  • ADD:进行两个寄存器或内存位置的加法运算。
  • MOV:从一个内存位置或寄存器移动数据到另一个寄存器或内存位置。
  • CMP:比较两个数值。
  • JMP:跳转到指定的内存地址,改变程序的执行流程。
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