c - 为什么只有内核可以切换CPU执行模式？

从我在“理解 Linux 内核第 3 版”一书中读到的内容。只有内核才能将 CPU 执行模式从“用户模式”更改为“内核模式”，反之亦然。

每个 CPU 型号都提供了从用户模式切换到内核模式的特殊指令，反之亦然。程序通常在用户模式下执行，只有在请求内核提供的服务时才切换到内核模式。当内核满足程序的请求时，它会将程序放回用户模式。

内核如何做到这一点？仅在这种情况下，此操作如何可能？如果我得到正确的“配方”（每个 CPU 型号提供的特殊指令），我可以在用户空间中做吗？

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我相信你已经知道为什么我们有用户模式和内核模式——将可信软件和不可信软件分开——所以让我们尝试解决方法。（我假设一个 linux 环境，因为您正在阅读有关 linux 内核的信息。）

用户程序不能真正被低级内存和硬件访问信任；充其量，它们可能会覆盖彼此的数据，而在最坏的情况下，它们可能会损坏硬件。但是，当程序只需要访问内存分配或硬件 I/O 等低级功能时，它们可以使用受信任的系统调用列表来执行它们的操作。

根据 LINFO，从用户模式切换到内核模式的标准过程是调用软件中断INT 0x80- 这假设您使用的是 x86 处理器。具体来说，当处于用户模式的进程尝试访问特权操作时，会引发中断；这是非法的，会产生一个陷阱（异常）。在用户进程触发此中断之前，它会将系统调用号和所述调用的任何参数存储在进程寄存器（处理器中内置的非常小、非常快的内存）中。

一旦用户程序触发中断，内核就会注意到它，检查调用及其参数，然后将模式位（存储在 CS 寄存器中）切换到内核模式。系统调用执行，模式切换回用户，控制权返回用户程序。

该操作只能在这种情况下进行，这在很大程度上是因为它是由硬件强制执行的。我不确定用户是否真的可以在内核空间中执行代码，但是有可能诱使系统认为您是 root 以便访问低级硬件 - 这称为权限提升，而这些漏洞并且漏洞利用很少见，当它们出现时它们是一个巨大的问题。

tl;dr：用户程序尝试访问特权指令，被阻止，并触发请求内核帮助的中断。内核捕获它，将模式位切换到内核模式以执行调用，然后将位切换回并返回给用户。用户不应该能够在内核模式下执行，如果可以的话，你手上就有一个严重的问题。