操作系统中的双模式操作

操作系统中的双模式运行是为了保护操作系统免受非法用户的侵害。我们通过将一些系统指令指定为特权指令来完成这种防御，这些指令可能造成损害。硬件只允许在内核模式下执行特权指令。切换到用户模式的命令就是一个特权指令的例子。其他例子包括 I/O 监控、计时器控制和中断处理。

为了确保操作系统正常运行，我们必须区分机器代码执行和用户定义的代码。大多数计算机系统都采用了提供硬件支持来区分不同执行模式。我们有两种操作系统模式：用户模式和内核模式。

需要模式位来识别当前指令在哪种模式下执行。如果模式位是 1，则运行用户模式；如果模式位是 0，则运行内核模式。

注意：系统启动时，总是以内核模式开始。

操作系统双模式类型

操作系统有两种运行模式，以确保其正常工作：用户模式和内核模式。

1. 用户模式

当计算机系统在用户模式下运行用户应用程序（如文件创建或其他应用程序）时，此模式无法直接访问计算机硬件。为了执行与硬件相关的任务，例如当用户应用程序请求操作系统服务或发生中断时，在这些情况下，系统必须切换到内核模式。用户模式的模式位为 1。这意味着如果系统处理器模式位为 1，则系统处于用户模式。

2. 内核模式

操作系统所有底层任务都在内核模式下执行。由于内核空间可以直接访问系统硬件，因此内核模式处理所有需要硬件支持的进程。除此之外，内核模式的主要功能是执行特权指令。

这些特权指令不提供用户访问权限，因此这些指令无法在用户模式下处理。因此，用户被限制干预的所有进程和指令都在操作系统内核模式下执行。内核模式的模式位为 0。因此，为了使系统在内核模式下运行，处理器模式位必须等于 0。

示例

通过模式位，我们可以区分代表操作系统执行的任务和代表用户执行的任务。

• 当计算机系统代表用户应用程序运行时，系统处于用户模式。
• 但是，当用户应用程序通过系统调用请求操作系统服务时，它必须从用户模式过渡到内核模式以满足请求。正如我们所说，这种架构增强功能对系统运行的许多其他方面都有用。
• 在系统启动时，硬件以内核模式启动。
• 然后加载操作系统，并在用户模式下启动用户应用程序。
• 每当发生陷阱或中断时，硬件会从用户模式切换到内核模式，将模式位更改为 0。
• 因此，每当操作系统获得对计算机的控制权时，它就处于内核模式。
• 在将控制权传递给用户程序之前，系统总是通过将模式位设置为 1 来切换到用户模式。

双模式运行的必要性

某些类型的进程需要对用户隐藏，并且某些任务不需要任何类型的硬件支持。使用操作系统的双模式，可以单独处理这些任务。

此外，操作系统需要以双模式运行，因为内核级程序执行操作系统的所有底层功能，如进程管理、内存管理等。如果用户更改了这些，可能会导致整个系统崩溃。因此，为了仅向用户指定对其使用的任务的访问权限，双模式对于操作系统是必需的。

因此，每当系统处理用户应用程序时，它都处于用户模式。当用户请求硬件服务时，会发生从用户模式到内核模式的转换，这是通过将模式位从 1 更改为 0 来实现的。要返回到用户模式，模式位再次更改为 1。

用户模式与内核模式切换

在进程的生命周期中，进程在用户模式和内核模式下执行。用户模式是进程具有有限访问权限的正常模式。然而，内核模式是特权模式，进程可以无限制地访问系统资源，如硬件、内存等。进程可以通过在内核模式下执行访问内核数据来访问硬件 I/O 等服务。任何与进程管理、I/O 硬件管理和内存管理相关的操作都需要进程在内核模式下执行。

重要的是要知道，处于内核模式的进程可以访问任何设备和内存，同时内核模式中的任何崩溃都会导致整个系统崩溃。但用户模式中的任何崩溃只会导致有故障的进程崩溃。

内核提供系统调用接口 (SCI)，这是用户进程进入内核模式的入口点。系统调用是进程从用户模式进入内核模式的唯一方式。下图详细解释了用户模式到内核模式的切换。

• 当处于用户模式时，应用程序进程会调用 Glibc，这是一个供软件程序员使用的库。
• Glibc 库知道如何为不同体系结构调用系统调用。它根据体系结构的应用程序二进制接口 (ABI) 设置参数传递，为系统调用入口做准备。
• 现在 Glibc 调用 ARM 的软件中断指令，该指令通过更新 CPSR 寄存器的模式位并将处理器置于 Supervisor 模式，然后跳转到向量地址 0x08。
• 到目前为止，进程执行处于用户模式。SWI 指令执行后，允许进程执行内核代码。内存管理单元 (MMU) 现在将允许此进程访问内核虚拟内存并执行。
• 从向量地址 0x08 开始，进程执行加载并跳转到 ARM 的 SW 中断处理程序例程 vector_swi()。
• 在 vector_swi() 中，系统调用号 (SCNO) 从 SWI 指令中提取，并使用 SCNO 作为系统调用表 sys_call_table 的索引跳转到系统调用函数。
• 系统调用执行后，在返回路径上，用户空间寄存器会在用户模式开始执行之前恢复。

为什么我们需要切换？

用户模式和内核模式之间切换的两个主要原因是：

1. 如果所有内容都在单一模式下运行，我们就会遇到早期 Windows 版本中微软遇到的问题。如果一个进程能够利用一个漏洞，那么该进程就可以控制系统。
2. 某些条件称为陷阱、异常或系统故障，通常由异常情况引起，例如除以零、无效内存访问等。如果进程在内核模式下运行，这种陷阱情况可能会导致整个操作系统崩溃。在用户模式下遇到陷阱情况的进程只会导致用户模式进程崩溃。

因此，切换的开销是可以接受的，以确保一个更稳定、更安全的系统。

用户模式与内核模式的区别

计算机要么在用户模式下运行，要么在内核模式下运行。用户模式与内核模式的区别在于，用户模式是应用程序运行的受限模式，而内核模式是计算机在访问硬件资源时进入的特权模式。

计算机在这两种模式之间切换。频繁的上下文切换会降低速度，但不可能在内核模式下执行所有进程。因为，如果一个进程失败，整个操作系统可能会失败。以下是用户模式与内核模式之间的一些区别：