operating-system - 模式位在哪里？

Question

我刚刚在 Silberschatz 的“操作系统概念”中读到这一点，p。18:

一个称为模式位的位被添加到计算机的硬件中以指示当前模式：内核（0）或用户（1）。通过模式位，我们能够区分代表操作系统执行的任务和代表用户执行的任务。

模式位存储在哪里？

（它是CPU中的寄存器吗？你能读取模式位吗？据我了解，CPU必须能够读取模式位。它如何知道哪个程序获得模式位0？特殊地址获取模式位 0？谁设置模式位/如何设置？）

Answer 1

请注意，您的问题很大程度上取决于 CPU 本身；尽管您可能会遇到某些甚至不存在用户级/内核级概念的处理器，但这种情况并不常见。

cs 寄存器还有另一个重要功能：它包含一个 2 位字段，用于指定 CPU 的当前特权级别 (CPL)。值 0 表示最高特权级别，而值 3 表示最低特权级别。Linux 仅使用级别 0 和 3，分别称为内核模式和用户模式。

（取自“了解 Linux 内核 3e”，第 2.2.1 节）
另请注意，这取决于 CPU，您可以清楚地看到它会从一个变化到另一个，但这个概念通常是成立的。

谁设置的？通常，内核/cpu 和用户进程无法更改它，但让我在这里解释一下。

**这是过于简单化了，不要当真**
假设内核已经加载并且第一个应用程序刚刚启动（第一个shell），内核加载了这个应用程序启动的所有内容，设置cs 寄存器中的位（如果您正在运行 x86），然后跳转到 Shell 进程的代码。

shell 会在这个上下文中继续执行它的所有指令，如果进程包含一些特权指令，cpu 将获取它并且不会执行它；它会给出一个异常（硬件异常），告诉内核有人试图执行特权指令，在这里内核代码处理工作（CPU将cs设置为内核模式并跳转到某个已知位置来处理此类错误（也许终止进程，也许是别的）。

那么一个进程如何才能做一些有特权的事情呢？例如，与某个设备交谈？系统调用来了；内核将为您完成这项工作。

发生的情况如下：
您在某些寄存器中设置了您想要的内容（例如，您设置了要访问文件，文件位置是 x，您正在访问以进行读取等）（内核文档将让您知道这一点）然后（在 x86 上）您将调用int0x80指令。

这会中断 CPU，停止工作，将模式设置为内核模式，将 IP 寄存器跳转到某个已知位置，该位置具有服务文件 IO 请求的代码并从那里移动。
一旦你的数据准备好了，内核会将这些数据设置在你可以访问的地方（内存位置，寄存器；这取决于 CPU/内核/你请求的内容），将 cs 标志设置为用户模式并跳转回你的it 指令旁边的int 0x80指令。

最后，每当发生切换时，都会发生这种情况，内核会收到通知，因此 CPU 会终止您当前的指令，更改 CPU 状态并跳转到处理此事情的代码；上面解释的过程，粗略地说，适用于内核模式和用户模式之间的切换是如何发生的。

Answer 2

这是一个CPU寄存器。只有在您已经处于内核模式时才能访问它。

如何设置的细节取决于 CPU 设计。在大多数常见硬件中，它在执行用于执行系统调用的特殊操作码时自动设置。然而，在其他架构中，某些内存页面可能设置了一个标志，表明它们是内核的“网关”——在这些页面上调用函数会设置内核模式位。

Answer 3

如今，它被赋予了其他名称，例如主管模式或保护环。