cpu与寄存器，内核态与用户态及如何切换

Posted 2020-09-18 Sargreis

cpu：相当于计算机的大脑负责运算和发送命令；

寄存器：寄存器是cpu当中的一个有限存储部件，cpu从内存调用数据时，寄存器会将从内存调用的数据进行更新在寄存器中以一个字或变量进行存储。

        寄存器总共分为四种：

                1.通用寄存器：用来保存变量与临时结果

                2.程序寄存器：保存了将要取下的一条指令的内存地址

                3.堆栈指针：它指向内存当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关输入参数，局部变量以及那写没有及时保存在寄存器中的临时变量。

                4.程序状态寄存器：这个寄存器包含了条码位（由比较指令设置），cpu优先级，模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个psw，但是只对其少量的字段写入。在系统调用和I/O中，psw非常重要。

内核态与用户态的切换：

        内核态: CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序

        用户态: 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取

为什么要有用户态和内核态

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态 和 内核态

       

所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据（比如从硬盘读取游戏进度）, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作.

这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令

这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)

他们的工作流程如下:

1. 用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务.
2. 用户态程序执行陷阱指令
3. CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问
4. 这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务
5. 系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果