淺析從寄存器到用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)

寄存器是CPU內(nèi)部重要的組成部分，寄存器內(nèi)部由N個(gè)觸發(fā)器組成，每個(gè)觸發(fā)器可以保存1位二進(jìn)制數(shù)，所以16位寄存器可以保存16個(gè)bit。

CPU內(nèi)部一般有不同類型的多個(gè)寄存器，我們需要使用CPU對應(yīng)的機(jī)器指令來操作這些寄存器，當(dāng)然像內(nèi)存、磁盤這些也是通過機(jī)器指令來操作的。

而CPU為了安全性，比如x86的CPU將機(jī)器指令分為了一般指令和特權(quán)指令，比如操作磁盤的指令就是特權(quán)指令，只有CPU處于某種特殊狀態(tài)下才能執(zhí)行特權(quán)指令。

x86 CPU利用內(nèi)部一個(gè)特殊寄存器，用來標(biāo)記此時(shí)的CPU能不能執(zhí)行特權(quán)指令，這個(gè)特殊寄存器中可以存四種狀態(tài)，ring0、ring1、ring2、ring3。

Windows、Linux操作系統(tǒng)中只用了ring0和ring3兩種狀態(tài)，如果處于ring0，表示CPU可以執(zhí)行所有指令，包括特權(quán)指令，如果處于ring3，表示CPU不能執(zhí)行特權(quán)指令，ring0等級高，ring3等級低。

不管是操作系統(tǒng)還是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的軟件，都是用高級語言開發(fā)出來的，最終都需要翻譯為機(jī)器指令。

所以本質(zhì)上來說，我們自己用c或java開發(fā)的軟件，只要翻譯成了機(jī)器指令，也是可以直接操作寄存器的，操作磁盤的。

但是我們不會這么來做，也肯定不需要每個(gè)軟件自己去實(shí)現(xiàn)這么底層并通用的功能，所以我們通常會調(diào)用操作系統(tǒng)的函數(shù)來操作磁盤。

操作系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)中間層。

同時(shí)操作系統(tǒng)為了保護(hù)系統(tǒng)，就設(shè)計(jì)了內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。

當(dāng)我們電腦啟動時(shí)，CPU處于ring0狀態(tài)，這時(shí)所有指令都可以執(zhí)行，從而啟動引導(dǎo)程序，從而啟動操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)在啟動時(shí)，會對內(nèi)存就行劃分，劃出一部分內(nèi)存只能被操作系統(tǒng)自己使用，其他內(nèi)存可以給應(yīng)用軟件使用。

操作系統(tǒng)啟動完了之后，CPU狀態(tài)就改為ring3，開始運(yùn)行應(yīng)用軟件。

由于此時(shí)cpu處于ring3，所以應(yīng)用軟件想要運(yùn)行一些特殊指令肯定是不行的。

當(dāng)我們調(diào)用操作系統(tǒng)的提供的函數(shù)時(shí)，操作系統(tǒng)會來執(zhí)行特權(quán)指令，可是操作系統(tǒng)不也是c語言寫的代碼嗎，要執(zhí)行特權(quán)指令需要ring0，如何把ring3切換成ring0呢？

系統(tǒng)中斷，其實(shí)就是一條指令，比如int 0x80。

系統(tǒng)中斷，cpu會自動切回到ring0狀態(tài)，然后執(zhí)行操作系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動時(shí)所設(shè)置好的代碼，而這段代碼可以根據(jù)中斷之前所執(zhí)行的代碼來繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)邏輯，并且此時(shí)cpu已經(jīng)處于在ring0狀態(tài)了，可以正常執(zhí)行了。

而CPU處于ring0狀態(tài)就是我們說的內(nèi)核態(tài)，處于ring3狀態(tài)就是我們說的用戶態(tài)。

總結(jié)，當(dāng)我們自己寫的程序要操作磁盤時(shí)，因?yàn)橐獔?zhí)行特權(quán)指令，但是CPU處于ring3，無法直接執(zhí)行特殊指令，需要調(diào)用操作系統(tǒng)函數(shù)，從而會修改CPU處于ring0，從而進(jìn)去內(nèi)核態(tài)。

用戶態(tài)時(shí)，CPU只能執(zhí)行一些普通指令，內(nèi)核態(tài)時(shí)，CPU能執(zhí)行所有指令。

今天就聊到這，拋磚引玉，如果有不對的地方，歡迎大佬們指出。