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    谈到CPU的这两个工作状态,也就是处理器的这两个工作状态,那我们有必要说一下为什么搞出这两个鬼玩意出来。
           用过电脑的娃娃们肯定知道在一个系统中既有操作系统的程序,也由普通用户的程序。但那么多指令,可不是随便乱用的,有些指令只能由系统来使用,禁止用户程序去直接访问。为了保证操作系统和各个应用程序能够顺利运行,就必须对他们进行限制,否则的话就根本没有办法保证系统的安全性和稳定。
           所以呢,根据运行程序对资源和机器指令的使用权限,把处理器设置为不同的状态。多数系统把处理器的工作状态分为管态和目态两种。也就是我们今天要说的这两个东西。
           所谓管态,即操作系统的管理程序运行时的状态,它具有较高的特权级别,也称为特权态、系统态、内核态或者核心态。当处理器处于管态时,他可以执行所有的指令,包括各种特权指令,也可以使用所有的资源,并且具有改变处理器状态的能力,是感觉很牛逼。需要指出的是,管态和超级用户不同,前者是指CPU的状态,后者是指一种特殊的计算机用户;前者主要是从硬件的角度去执行任何指令,而后者是从软件的角度来管理系统的软硬件资源,如用户账户、权限管理、文件访问等。超级用户执行的程序不一定运行在管态,而管态程序也不一定由系统管理员启动,普通用户也可以启动。
           所谓目态,即用户程序运行时的状态,它具有较低的特权级别,又称为普通态或用户态。在这种状态下不能使用特权指令,不能直接使用系统资源,也不能改变CPU的工作状态,并且只能访问这个用户程序自己的存储空间。用户态不允许程序进行处理器中要求特权态的操作,以避免操作系统崩溃。每个进程都在各自的用户空间中运行,而不允许存取其他程序的用户空间。
             百度百科上的这个图片对于这两个状态划分就挺好的。
    CPU的两种工作状态:内核态和用户态(或者称管态和目态)
          当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核运行态(或简称为内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核 代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行 态(用户态)。即此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。
           在内核态下CPU可执行任何指令,在用户态下CPU只能执行非特权指令。当CPU处于内核态,可以随意进入用户态;而当CPU处于用户态时,用 户从用户态切换到内核态只有在系统调用和中断两种情况下发生,一般程序一开始都是运行于用户态,当程序需要使用系统资源时,就必须通过调用软中断进入内核 态。   
           Linux使用了Ring3级别运行用户态,Ring0作为内核态,没有使用Ring1和Ring2。Ring3状态不能访问Ring0的地址 空间,包括代码和数据。Linux进程的4GB地址空间,3G-4G部分大家是共享的,是内核态的地址空间,这里存放在整个内核的代码和所有的内核模块, 以及内核所维护的数据。用户运行一个程序,该程序所创建的进程开始是运行在用户态的,如果要执行文件操作,网络数据发送等操作,必须通过 write,send等系统调用,这些系统调用会调用内核中的代码来完成操作,这时,必须切换到Ring0,然后进入3GB-4GB中的内核地址空间去执 行这些代码完成操作,完成后,切换回Ring3,回到用户态。这样,用户态的程序就不能随意操作内核地址空间,具有一定的安全保护作用。
           我在网易的一篇博客中看到一个解释挺好的一个文章,对方是从一段实例中开始的,所以我粘贴过来分享了一下:

    1. 用户态和内核态的概念区别

    究竟什么是用户态,什么是内核态,这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚,根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上,先看一个例子:

    1)例子

    C代码
    1. void testfork(){  
    2. if(0 = = fork()){  
    3. printf(“create new process success!\n”);  
    4. }  
    5. printf(“testfork ok\n”);  
    6. }  
     

    这 段代码很简单,从功能的角度来看,就是实际执行了一个fork(),生成一个 新的进程,从逻辑的角度看,就是判断了如果fork()返回的是0则打印相关语句,然后函数最后再打印一句表示执行完整个testfork()函数。代码 的执行逻辑和功能上看就是如此简单,一共四行代码,从上到下一句一句执行而已,完全看不出来哪里有体现出用户态和进程态的概念。

    如果说前面两种是静态观察的角度看的话,我们还可以从动态的角度来看这段代码,即它被转换成CPU执行的指令后加载执行的过程,这时这段程序就是一个动态执行的指令序列。而究竟加载了哪些代码,如何加载就是和操作系统密切相关了。

    2)特权级

    熟 悉Unix/Linux系统的人都知道,fork的工作实际上是以系统调用的 方式完成相应功能的,具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux,对于任何操作系统来说,创建一个新的进程都是属于 核心功能,因为它要做很多底层细致地工作,消耗系统的物理资源,比如分配物理内存,从父进程拷贝相关信息,拷贝设置页目录页表等等,这些显然不能随便让哪 个程序就能去做,于是就自然引出特权级别的概念,显然,最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行,这样才可以做到集中管理,减少有限资源的访问和使用冲 突。

    特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手 段,因此在硬件上对特权级做了很 多支持,就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级,0级最高,3级最低,硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查,相关的概念有 CPL、DPL和RPL,这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制,软件自然就是好好利用的问题,这属于操作系统要做的事情,对于 Unix/Linux来说,只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中,一条工作在0级特权级的指令具有了CPU能提供的最 高权力,而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。

    3)用户态和内核态

    现 在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了,当程序运行在3级 特权级上时,就可以称之为运行在用户态,因为这是最低特权级,是普通的用户进程运行的特权级,大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态;反之,当程序运 行在0级特权级上时,就可以称之为运行在内核态。

    虽 然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别,但最重要的差别就在于特权级的不 同,即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序,比如上面例子中的testfork()就不能直接调用 sys_fork(),因为前者是工作在用户态,属于用户态程序,而sys_fork()是工作在内核态,属于内核态程序。

    当 我们在系统中执行一个程序时,大部分时间是运行在用户态下的,在其需要操作系 统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态,比如testfork()最初运行在用户态进程下,当它调用fork()最终触发 sys_fork()的执行时,就切换到了内核态。

    2. 用户态和内核态的转换

    1)用户态切换到内核态的3种方式

    a. 系统调用

    这 是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式,用户态进程通过系统调用申请使 用操作系统提供的服务程序完成工作,比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户 特别开放的一个中断来实现,例如Linux的int 80h中断。

    b. 异常

    当CPU在执行运行在用户态下的程序时,发生了某些事先不可知的异常,这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中,也就转到了内核态,比如缺页异常。

    c. 外围设备的中断

    当 外围设备完成用户请求的操作后,会向CPU发出相应的中断信号,这时CPU会 暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序,如果先前执行的指令是用户态下的程序,那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到 内核态的切换。比如硬盘读写操作完成,系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

    这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式,其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的,异常和外围设备中断则是被动的。

    2)具体的切换操作

    从 触发方式上看,可以认为存在前述3种不同的类型,但是从最终实际完成由用户态 到内核态的切换操作上来说,涉及的关键步骤是完全一致的,没有任何区别,都相当于执行了一个中断响应的过程,因为系统调用实际上最终是中断机制实现的,而 异常和中断的处理机制基本上也是一致的,关于它们的具体区别这里不再赘述。关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析,涉及到由用户态切换到内核态 的步骤主要包括:

    [1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

    [2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来,这个

    过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程,同时保存了被暂停执行的程序的下一

    条指令。

    [3] 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器,开始

    执行中断处理程序,这时就转到了内核态的程序执行了。

    posted on 2018-09-10 14:27 坚定的眼神 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

    转载于:https://www.cnblogs.com/libertylife/p/9619387.html

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  • 基于系统调用和共享内存的用户态内核态通信,何华丽,,介绍了Linux内核态与用户态过程间实现通信的必要性,并给出Linux系统提供的几种常用内核与用户交换数据的机制。由于这几种机制在大��
  • 用户态内存分配 C语言中,在用户态分配内存空间可以使用malloc() ,函数原型如下: void *malloc(size_t size); 1 参数: size – 内存大小,以字节为单位。 返回值 函数返回一个指针 ,指向已分配大小的内存。...

    用户态内存分配
    C语言中,在用户态分配内存空间可以使用malloc() ,函数原型如下:

    void *malloc(size_t size);
    1
    参数:

    size – 内存块的大小,以字节为单位。
    返回值

    函数返回一个指针 ,指向已分配大小的内存。如果请求失败,则返回 NULL。
    在用户态分配的空间需要使用free() 回收。

    内核态内存分配
    在内核态可以使用kmalloc()、vmalloc()、kzalloc()、vzalloc()分配内存,区别如下:

    void * kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
    1
    参数:
    size_t size – how many bytes of memory are required.
    gfp_t flags – the type of memory to allocate.

    flags 类型:
    GFP_KERNEL – Allocate normal kernel ram. May sleep.
    GFP_NOWAIT-- Allocation will not sleep.
    GFP_ATOMIC – Allocation will not sleep. May use emergency pools.
    GFP_HIGHUSER – Allocate memory from high memory on behalf of user.

    kmalloc()申请的内存位于物理内存映射区域,而且在物理上也是连续的,它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移,因为存在较简单的转换关系,所以对申请的内存大小有限制,不能超过128KB。

    void * vmalloc(unsigned long size)
    1
    参数:
    unsigned long size – allocation size
    返回值:
    pointer to the allocated memory or NULL on error

    vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区,但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存,因此对申请的内存大小没有限制,如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

    void * kzalloc(size_t size, gfp_t flags)
    1
    参数
    size_t size – how many bytes of memory are required.
    gfp_t flags – the type of memory to allocate (see kmalloc).

    kzalloc() 函数与 kmalloc() 非常相似,参数及返回值是一样的,可以说是前者是后者的一个变种,因为 kzalloc() 实际上只是额外附加了 __GFP_ZERO 标志。所以它除了申请内核内存外,还会对申请到的内存内容清零。

    void * vzalloc(unsigned long size)
    1
    参数:
    unsigned long size – allocation size
    返回值:
    pointer to the allocated memory or NULL on error

    vzalloc() 函数与 vmalloc() 相似,参数及返回值也是一样的。
    释放:vzfree(地址);
    ————————————————
    版权声明:本文为CSDN博主「qq_36059308」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
    原文链接:https://blog.csdn.net/qq_36059308/article/details/111567610

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  • 用户态内核态

    2020-03-23 16:02:28
    用户态内核态 我们知道现在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它寻址空间(虚拟存储空间)为4G(232次方)。操心系统核心是内核,独立于普通应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有...

                                         用户态内核态

              我们知道现在操作系统都是采用虚拟存储器,那么对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操心系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核,保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux内核由系统内的所有进程共享。于是,从具体进程的角度来看,每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间 。

    寻址空间

    寻址空间一般指的是CPU对于内存寻址的能力。通俗地说,就是能最多用到多少内存的一个问题。数据在存储器(RAM)中存放是有规律的 ,CPU在运算的时候需要把数据提取出来就需要知道数据存放在哪里 ,这时候就需要挨家挨户的找,这就叫做寻址,但如果地址太多超出了CPU的能力范围,CPU就无法找到数据了。 CPU最大能查找多大范围的地址叫做寻址能力 ,CPU的寻址能力以字节为单位 ,如32位寻址的CPU可以寻址2的32次方大小的地址也就是4G,这也是为什么32位的CPU最大能搭配4G内存的原因 ,再多的话CPU就找不到了。

     

    (1) 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间,它们都处于虚拟空间中。

    (2) Linux使用两级保护机制:0级供内核使用,3级供用户程序使用。

     

    内核态与用户态:

    (1)当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,称进程处于内核运行态(内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。


    (2)当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

     

    操作系统和内核

    操作系统(英语:Operating System,缩写:OS)是管理计算机硬件与软件资源的系统软件,同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

     

    对我们来说,操作系统最直观的感受就是桌面系统,以及上层的应用程序,而后面的资源处理等等就是操作系统背后的黑盒

    读者朋友们现在阅读我的这篇文章,是在浏览器,或者某个应用程序上进行的。而一个应用程序是要运行在特定的操作系统上的。操作系统,则是要运行在硬件上的。所以这三者关系如图。

    再来看看内核的定义:
    “内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件,这种访问是有限的,并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的,所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。硬件抽象隐藏了复杂性,为应用软件和硬件提供了一套简洁,统一的接口,使程序设计更为简单。

    简单来说,内核是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等等,决定着系统的性能和稳定性。是连接应用程序和硬件的桥梁。
    内核就是操作系统背后黑盒的核心

    内核的分类

    既然我们知道了内核是什么,接着来看看内核的分类,现在内核的主要分类有四类:
    宏内核(单内核),微内核,混合内核,外内核。

    什么是宏内核

    我们上面说到,内核管理着操作系统的内存,文件,IO,网络等等,每个功能可以看做一个模块,在宏内核中,这些模块都是集成在一起的,运行在内核进程中,模块之间的交互直接通过方法调用。

    什么是微内核

    而在微内核中,内核只提供最核心的功能,比如任务调度,内存管理等等,其他模块被移出内核,运行在不同的进程中,这样即使某一个模块出现问题,只要重启这个模块的进程即可,不会影响到其他模块,稳定性大大增加。甚至可以在系统运行过程中替换现有模块的实现。而且由于模块独立的性质,可以做到模块的按需加载。但是模块间的相互调用需要通过进程间通信,通信效率相对较低。

    什么是混合内核

    我们上面看了宏内核和微内核的实现,就会发现,两者各有千秋,也各有缺点,所以混合内核就是集中了两者的特点,让微内核中的一些核心模块运行在内核中,从而使内核效率更高一些。

    什么是外内核

    外内核是把硬件暴露给应用程序,应用程序可以直接访问硬件,外内核对系统提供保护。目前还在研究阶段。

    当前主流操作系统内核

    宏内核
    Linux
    Windows 9X 系列
    MacOS 8.6 版本之前

    微内核
    Fuchsia
    鸿蒙
    Minix

    混合内核
    Windows XP
    Windows 7
    Mac OS X
    XNU

    外内核
    Nemesis

    在这里插入图片描述

    展开全文
  • 用户态【OS】内核态用户态内核空间 & 用户空间【内存】IO示例 当进程运行在内核空间时,它就处于内核态;当进程运行在用户空间时,它就处于用户态 内核态 & 用户态【OS】 参考链接 怎样去理解Linux用户态...

    当进程运行在内核空间时,它就处于内核态;当进程运行在用户空间时,它就处于用户态

    内核态 & 用户态【OS】

    参考链接

    怎样去理解Linux用户态和内核态?

    IO 系列——用户空间与内核空间

    现代计算机是由硬件、操作系统组成,操作系统通过内核与硬件交互

    当需要 进行IO操作 时,如读写硬盘文件、读写网卡数据等,进程需要 切换到内核态,否则无法进行这样的操作
    无论是从内核态切换到用户态,还是从用户态切换到内核态,都需要进行一次 上下文的切换
    一般情况下,应用不能直接 操作 内核空间的数据,需要把内核态的数据拷贝到用户空间才能操作

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    内核态

    • 内核提供进程管理、内存管理、网络等底层功能,封装了与硬件交互的接口,通过系统调用提供给上层应用使用
    • 内核是一种特殊的软件程序:控制计算机的硬件资源
      • 例如协调CPU资源,分配内存资源,并且提供稳定的环境供应用程序运行

    用户态

    • 提供应用程序运行的空间,为了使应用程序访问到内核管理的资源 例如CPU,内存,I/O

    内核空间 & 用户空间【内存】

    参考链接

    用户空间和内核空间之间有什么区别?

    IO 模型知多少 | 理论篇

    • 为了确保操作系统的安全稳定运行,操作系统启动后,将会开启保护模式:将内存分为内核空间(内核对应进程所在内存空间)和用户空间,进行内存隔离
    • 构建的 程序将运行在用户空间,用户空间无法操作内核空间,也就意味着用户空间的程序不能直接访问由内核管理的I/O,比如:硬盘、网卡等
    • 操作系统向外提供API,其由各种类型的 系统调用 (System Call)组成,以提供安全的访问控制
    • 应用程序要想访问内核管理的I/O,必须通过调用内核提供的系统调用(system call)进行间接访问

    I/O之于应用程序来说,强调的通过向内核发起系统调用完成对I/O的间接访问。换句话说应用程序发起的一次IO操作实际包含两个阶段:

    IO调用阶段:应用程序进程向内核发起系统调用
    IO执行阶段:内核执行IO操作并返回

    1. 准备数据阶段:内核等待I/O设备准备好数据
    2. 拷贝数据阶段:将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区

    sum

    由于CPU某些指令比较危险,如果错用会导致系统崩溃,为了保护系统,操作系统将内存空间划分为了两部分:

    • 用户空间:正常用户进程运行的一组位置(即除内核之外的所有内容)
      • 在用户空间下运行的进程 只能访问内存的有限部分
      • 用户空间进程 只能通过内核公开的接口(系统调用)访问内核的一小部分
    • 内核空间:存储内核代码并在其下执行的位置
      • 内核可以 访问所有内存
      • 作用:管理用户空间 中运行的应用程序,避免彼此和机器混乱

    IO示例

    假如有一个网络请求想访问服务器上的某个静态文件,具体IO流程:
    在这里插入图片描述
    整个过程如下:

    进程发起一个系统调用sys_read,读取磁盘的文件;

    DMA将磁盘文件数据拷贝到内核空间的read缓冲区;

    CPU把内核空间read缓冲区数据拷贝到用户空间的缓冲区;

    进程发起一个系统调用socket_write,向网卡写数据;

    CPU把用户空间缓冲区的数据拷贝到内核空间的socket缓冲区;

    最后DMA把内核空间的socket缓冲区数据拷贝到网卡;

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  • 凡是涉及到IO读写、内存分配等硬件资源操作时,往往不能直接操作,而是通过一种叫系统调用过程,让程序陷入到内核态运行,然后内核态的CPU执行有关硬件资源操作指令,得到相关硬件资源后在返回到用户态继续...
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  • Linux 用户态 内核态

    2019-06-13 16:55:10
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  • 用户态内核态

    2020-10-29 14:38:06
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  • 用户态内核态

    2020-01-20 21:30:08
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