对内核态、用户态切换的理解

什么是用户态、内核态

CPU从内存中取出指令并执行之,CPU内部除了一些通用寄存器,其中还包括程序状态字(PSW)寄存器。这个寄存器包含了条件码位、CPU优先级、模式(用户态和内核),以及各种其他控制位。
当CPU中PSW中的模式值被设置为内核态,称CPU处于内核态
当CPU中PSW中的模式值被设置为用户态,称CPU处于用户态

什么情况CPU从用户态切换到内核态

通常有三种:中断、异常和系统调用
中断: 一般由外设产生
异常: 应用程序意向不到的行为
系统调用: 应用程序请求系统提供服务
应用程序是不能直接访问外设的

为什么应用程序不能直接访问外设

防止应用程序误操作导致系统奔溃等安全问题,而通过系统调用,由操作系统统一执行,这样除了可以避免应用程序的误操作,还可以给应用程序提供统一接口,简化了应用程序跟外设的复杂交互细节,方便应用程序。

如何控制应用程序不能直接访问外设

每个CPU都有其中一套可执行的指令集,这些指令会在计算机启动时加载到内存当中,根据CPU指令的重要的程度,分为不同的权限,如下图:
对内核态、用户态切换的理解_第1张图片

权限由高到低为:Ring0 > Ring1 > Ring2 > Ring3
R0属于内核相关指令
R1和R2属于外设相关指令
R3属于用户程序指令
规则:
当CPU处于内核态可以访问任意级别的指令
当CPU处于用户态只能访问R3级别的指令

总结

当应用程序要想访问外设的时候,需要通过系统调用,此时CPU会从用户态切换到内核态,此时就可以执行任意级别的指令。
所以内核态跟用户态的切换本质就是CPU要执行特权指令进行工作模式的切换,大家不要跟进程和线程的上下文切换混淆。

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