1、特權(quán)級

Intel x86架構(gòu)的cpu一共有0～4四個特權(quán)級，0級最高，3級最低，硬件上在執(zhí)行每條指令時都會對指令所具有的特權(quán)級做相應(yīng)的檢查。硬件已經(jīng)提供了一套特權(quán)級使用的相關(guān)機(jī)制，軟件自然要好好利用，這屬于操作系統(tǒng)要做的事情，對于UNIX/LINUX來說，只使用了0級特權(quán)級別和3級特權(quán)級。也就是說在UNIX/LINUX系統(tǒng)中，一條工作在0級特權(quán)級的指令具有了CPU能提供的最高權(quán)力，而一條工作在3級特權(quán)的指令具有CPU提供的最低或者說最基本權(quán)力

2、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

內(nèi)核棧：Linux中每個進(jìn)程有兩個棧，分別用于用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程執(zhí)行，其中的內(nèi)核棧就是用于內(nèi)核態(tài)的堆棧，它和進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)，更具體的是thread_info結(jié)構(gòu)一起放在兩個連續(xù)的頁框大小的空間內(nèi)。

現(xiàn)在我們從特權(quán)級的調(diào)度來理解用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)就比較好理解了，當(dāng)程序運(yùn)行在3級特權(quán)級上時，就可以稱之為運(yùn)行在用戶態(tài)，因?yàn)檫@是最低特權(quán)級，是普通的用戶進(jìn)程運(yùn)行的特權(quán)級，大部分用戶直接面對的程序都是運(yùn)行在用戶態(tài)；反之，當(dāng)程序運(yùn)行在0級特權(quán)級上時，就可以稱之為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

雖然用戶態(tài)下和內(nèi)核態(tài)下工作的程序有很多差別，但最重要的差別就在于特權(quán)級的不同，即權(quán)力的不同。運(yùn)行在用戶態(tài)的程序不能訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合程序。 當(dāng)我們在系統(tǒng)中執(zhí)行一個程序時，大部分時間是運(yùn)行在用戶態(tài)下的。在其需要操作系統(tǒng)幫助完成某些它沒有權(quán)力和能力完成的工作時就會切換到內(nèi)核態(tài)。

Linux進(jìn)程的4GB地址空間，3G-4G部分大家是共享的，是內(nèi)核態(tài)的地址空間，這里存放在整個內(nèi)核的代碼和所有的內(nèi)核模塊，以及內(nèi)核所維護(hù)的數(shù)據(jù)。用戶運(yùn)行一個程序，該程序所創(chuàng)建的進(jìn)程開始是運(yùn)行在用戶態(tài)的，如果要執(zhí)行文件操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送等操作，必須通過write，send等系統(tǒng)調(diào)用，這些系統(tǒng)調(diào)用會調(diào)用內(nèi)核中的代碼來完成操作，這時，必須切換到Ring0eip系統(tǒng)，然后進(jìn)入3GB-4GB中的內(nèi)核地址空間去執(zhí)行這些代碼完成操作，完成后，切換回Ring3，回到用戶態(tài)。這樣，用戶態(tài)的程序就不能隨意操作內(nèi)核地址空間，具有一定的安全保護(hù)作用。 保護(hù)模式，通過內(nèi)存頁表操作等機(jī)制，保證進(jìn)程間的地址空間不會互相沖突，一個進(jìn)程的操作不會修改另一個進(jìn)程的地址空間中的數(shù)據(jù)。在內(nèi)核態(tài)下，CPU可執(zhí)行任何指令，在用戶態(tài)下CPU只能執(zhí)行非特權(quán)指令。當(dāng)CPU處于內(nèi)核態(tài)，可以隨意進(jìn)入用戶態(tài)；而當(dāng)CPU處于用戶態(tài)，只能通過中斷的方式進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。一般程序一開始都是運(yùn)行于用戶態(tài)，當(dāng)程序需要使用系統(tǒng)資源時，就必須通過調(diào)用軟中斷進(jìn)入內(nèi)核態(tài).

3、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換

1）用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的3種方式

a. 系統(tǒng)調(diào)用

這是用戶態(tài)進(jìn)程主動要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制，其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開放的一個中斷來實(shí)現(xiàn)，例如lx86的int 80h， powerpc的sc

b. 異常

當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時會觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)的程序中，也就是轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)，比如缺頁異常。

c. 外圍設(shè)備的中斷

當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請求的操作后，會向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號，這時CPU會暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號對應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個轉(zhuǎn)換的過程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤讀寫操作的完成，系統(tǒng)會切換到硬盤讀寫的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。

這3種方式是系統(tǒng)在運(yùn)行時由用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的最主要方式，其中系統(tǒng)調(diào)用可以認(rèn)為是用戶進(jìn)程主動發(fā)起的，異常和外圍中斷是被動的。

4、具體的切換操作

從觸發(fā)方式上看，可以認(rèn)為純在前述3種不同的類型，但是從最終實(shí)際完成由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換操作上來說，涉及的關(guān)鍵步驟是完全一致的，沒有任何區(qū)別，都相當(dāng)于執(zhí)行了一個中斷響應(yīng)的過程，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用實(shí)際上最終是中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，而異常和中斷的處理機(jī)制基本上也是一致的。關(guān)于中斷處理機(jī)制的細(xì)節(jié)合步驟這里不做過多分析，涉及到有用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的步驟主要包括：

【1】從當(dāng)前進(jìn)程的描述符中提取其內(nèi)核棧的ss0及esp0信息

【2】使用ss0和esp0指向的內(nèi)核棧將當(dāng)前進(jìn)程的cseip系統(tǒng)，eip，eflags，ss，esp信息保存起來，這個過程也完成了由用戶棧到內(nèi)核棧的切換過程，同時保存了被暫停執(zhí)行的程序的下一條指令。

【3】將先前又中斷向量檢索得到的中斷處理程序的cs，eip信息裝入相應(yīng)的寄存器，開始執(zhí)行中斷處理程序，這時就轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的程序執(zhí)行了。