cpu核心态與使用者态

1.作業系統需要兩種CPU狀态

核心态（Kernel Mode）：運作作業系統程式，操作硬體

使用者态（User Mode）：運作使用者程式

2.指令劃分

特權指令：隻能由作業系統使用、使用者程式不能使用的指令。 舉例：啟動I/O 記憶體清零 修改程式狀态字 設定時鐘 允許/禁止終端 停機

非特權指令：使用者程式可以使用的指令。 舉例：控制轉移 算數運算 取數指令 訪管指令（使使用者程式從使用者态陷入核心态）

3.特權級别

特權環：R0、R1、R2和R3

R0相當于核心态，R3相當于使用者态；

不同級别能夠運作不同的指令集合；

4.CPU狀态之間的轉換

使用者态--->核心态：唯一途徑是通過中斷、異常、陷入機制（訪管指令）

核心态--->使用者态：設定程式狀态字PSW

5.核心态與使用者态的差別

核心态與使用者态是作業系統的兩種運作級别，當程式運作在3級特權級上時，就可以稱之為運作在使用者态。因為這是最低特權級，是普通的使用者程序運作的特權級，大部分使用者直接面對的程式都是運作在使用者态；

當程式運作在0級特權級上時，就可以稱之為運作在核心态。

運作在使用者态下的程式不能直接通路作業系統核心資料結構和程式。當我們在系統中執行一個程式時，大部分時間是運作在使用者态下的，在其需要作業系統幫助完成某些它沒有權力和能力完成的工作時就會切換到核心态（比如操作硬體）。

這兩種狀态的主要差别是

處于使用者态執行時，程序所能通路的記憶體空間和對象受到限制，其所處于占有的處理器是可被搶占的 處于核心态執行時，則能通路所有的記憶體空間和對象，且所占有的處理器是不允許被搶占的。

6. 通常來說，以下三種情況會導緻使用者态到核心态的切換

系統調用

這是使用者态程序主動要求切換到核心态的一種方式，使用者态程序通過系統調用申請使用作業系統提供的服務程式完成工作。比如前例中fork()實際上就是執行了一個建立新程序的系統調用。

而系統調用的機制其核心還是使用了作業系統為使用者特别開放的一個中斷來實作，例如Linux的int 80h中斷。

使用者程式通常調用庫函數，由庫函數再調用系統調用，是以有的庫函數會使使用者程式進入核心态（隻要庫函數中某處調用了系統調用），有的則不會。

異常

當CPU在執行運作在使用者态下的程式時，發生了某些事先不可知的異常，這時會觸發由目前運作程序切換到處理此異常的核心相關程式中，也就轉到了核心态，比如缺頁異常。

外圍裝置的中斷

當外圍裝置完成使用者請求的操作後，會向CPU發出相應的中斷信号，這時CPU會暫停執行下一條即将要執行的指令轉而去執行與中斷信号對應的處理程式，

如果先前執行的指令是使用者态下的程式，那麼這個轉換的過程自然也就發生了由使用者态到核心态的切換。比如硬碟讀寫操作完成，系統會切換到硬碟讀寫的中斷處理程式中執行後續操作等。

這3種方式是系統在運作時由使用者态轉到核心态的最主要方式，其中系統調用可以認為是使用者程序主動發起的，異常和外圍裝置中斷則是被動的。