linux内核态用户态

1. 概述

本文学习linux系统用户态和内核态相关知识，linux内核版本为3.10.79。

1. 用户态和内核态定义

内核态: CPU可以访问内存所有资源, 包括外围设备. 可以进行处理器工作模式切换，程序的切换。

用户态: 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备，不可以进行处理器模式切换。

1. 为什么分用户态和内核态

CPU工作分为不同的工作模式或特权级别，例如，arm包含7种工作模式，除用户模式以外，都是特权模式，armv8包含4种异常级别EL0-EL3。每种工作模式或异常级别可以执行的指令不同，允许访问的硬件资源也不同，如果CPU不进行工作模式区分，都在一种模式下，那访问的资源都是相同的，那么运行的所有程序也可以访问任何的资源，这就容易产生访问资源冲突，使系统奔溃，也出现一些安全问题。如果一些程序运行在特权模式，可以访问所有资源，这些程序统一来管理资源，其它程序运行在非特权模式，访问资源时通过调用资源管理程序，那就可以避免冲突，限制一些程序的访问权限，保证整个系统的安全。

我们可以把运行在特权级别的程序成为内核程序，就行linux 内核一样，也可以称为内核态，CPU执行在内核态时，可以访问内存所有数据, 包括外围设备。运行在非特权级别的程序称为用户空间程序，也可以称为用户态。

用户空间的程序无法直接执行内核代码。它们不能直接调用内核空间中的函数，因为内核驻留在受保护的地址空间上。如果进程可以直接在内核的地址空间上读写的话，系统安全就会失去控制。

用户态程序想访问受保护的资源，必须先切换到内核态，也就是用户程序向内核发起请求，内核执行代码区访问资源。

1. 用户态和内核态切换
   1. 1. Armv7

Arm 中linux用户程序运行在用户模式（非特权模式），linux内核运行在特权模式（包含svc，abt，und，fiq，iqr，sys）。

首先，ARM开发板在刚上电或复位后都会首先进入SVC模式，此时、程序计数器R15-PC值会被赋为0x0000 0000；bootloader就是在此模式下，位于0x0000 0000的NOR FLASH或SRAM中装载的，因此、开机或重启后bootloader会被首先执行。接着，bootloader引导Linux内核，此时、Linux内核一样运行在ARM的SVC模式下；当内核启动完毕、准备进入用户态init进程时，内核将ARM的当前程序状态CPSR寄存器M[4:0]设置为10000、进而用户态程序只能运行在ARM的用户模式。

    由于ARM用户模式下对资源的访问受限，因此可以达到保护Linux操作系统内核的目的。

    需要强调的是：Linux内核态是从ARM的SVC模式下启动的，但在某些情况下如：硬件中断、程序异常（被动）等情况下进入ARM的其他特权模式，这时仍然可以进入内核态（因为就是可以操作内核了）；同样，Linux用户态是从ARM用户模式启动的，但当进入ARM系统模式时仍然可以操作Linux用户态程序（进入用户态，如init进程的启动过程）。

即：Linux内核从ARM的SVC模式下启动，但内核态不仅仅指ARM的SVC模式（还包括可以访问内核空间的所有ARM模式）；Linux用户程序从ARM的用户模式启动，但用户态不仅仅指ARM的用户模式，就是非用户模式下也可以执行应用程序，但一般不这样做。这一点不进行明确关注。

1. 1. 1. Armv8

Armv8中linux用户程序运行在EL0级别，linux内核EL1级别。

1. 1. 1. 切换

触发方式包括三种：

系统调用：用户程序通过系统调用进入内核程序，使用内核提供的服务。实际上是在库函数中执行中断指令，如armv7：swi指令，armv8 svc指令，cpu响应中断，跳转到中断向量表执行内核代码。

中断：这里中断是指硬件中断，如gpio等，如果当前CPU在执行用户程序，中断产生后，CPU会暂停当前程序执行，跳转到内核中断处理程序。

异常：如果当前CPU在执行用户程序，发生了不可预知错误，如指令未定义，除数为0，指针为空，会发生abort，undefined等，CPU跳转到内核中断处理程序。