【操作系统】CPU的工作模式
本文为《操作系统45讲》笔记，简要介绍X86 CPU的工作模式，实模式，保护模式，长模式。
参考：操作系统实战45讲
一、实模式
（1）真实
真实的指令：直接执行指令的真实功能，无权限等校验。
真实的地址：发往内存的地址是真实的物理地址，直接读写，不需要转化也没有限制。
特点：CPU可以执行任意程序指令；内存之间没有隔离保护。
（2）寄存器
X86 CPU在实模式下的寄存器，寄存器的位数为16，重点关注以下几类：
通用寄存器：AX, BX, CX, DX, SI, BP，用户存放数据，参与运算；
指令指针寄存器：代码段寄存器CS : 程序指针寄存器IP，可以得到程序下一条指令的地址；
栈指针寄存器：数据段寄存器SS : 栈指针寄存器器SP，始终指向当前栈顶；
CPU标志寄存器：FLAGS，存放CPU执行运算产生的状态位；
（3）中断
外围设备产生中断，由中断控制器给CPU发送中断信号，CPU被动处理中断任务，这种情况叫做硬件中断；
CPU执行INT指令，主动执行中断任务，这种情况叫做软件中断。
X86 实模式中断过程：
CPU接受到中断控制器消息或者INT指令后，能够获取到中断号；
通过IDTR寄存器获取中断向量表的地址，结合中断号，得到中断入口函数的代码段地址与段内偏移地址，即CS:IP；
CPU保存当前的CS和IP寄存器，并加载中断入口的CS:IP寄存器，响应中断。
二、保护模式
（1）保护
寄存器位数从实模式下的16位，扩展到32位，解决内存寻址空间问题；
各指令区分特权级别，危险指令需要较高权限才能执行，从指令执行角度保护系统；
分段模型，新增段描述符，增加CPU对内存地址访问的权限控制，从数据角度保护系统；
（2）寄存器
新增CPU控制寄存器，扩展通用寄存器位宽到32位，重点关注如下：
通用寄存器：EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EBP，用户存放数据，参与运算；
指令指针寄存器：代码段寄存器CS : 程序指针寄存器EIP，可以得到程序下一条指令的地址；
栈指针寄存器：数据段寄存器SS : 栈指针寄存器器ESP，始终指向当前栈顶；
标志寄存器：EFLAGS，存放CPU执行运算产生的状态位；
控制寄存器：CR0、CR1、CR2、CR3，控制CPU的功能特性，如开启保护模式等
（3）特权级别
特权级分为4级，R0~R3，每个特权级可以执行指令与可以访问的内存资源不同，R0权限最高，R1、R2、R3依次递减。
各指令执行权限与资源访问权限，均依赖于特权级别的划分。
新增全局段描述符表，表内容中包括段的类型、权限以及基地址等；
GDTR寄存器，保存全局段描述符表的基地址与长度；
CPU通过段寄存器（包含访问者的权限级别）获取表的索引，进行权限等判断成功后，获取待访问的段基地址。
（与中断向量表类似，将内存中所有段资源集中统一管理，提高效率）
（4）中断
保护模式下的中断也需要进行权限判断，中断向量表存放中断门描述符，扩充信息。
CPU根据IDTR寄存器找到中断向量表，并根据中断信号转化成索引，确定对应的中断门描述符；
CPU根据中断门描述符，进行类型判断与权限检查；
检查通过后，将中断门中的目标代码段选择子与目标代码段偏移加载到CS:EIP寄存器中，响应中断。
（5）切换
X86 CPU在启动后会自动进入实模式，通过全局段描述符表初始化、GDTR和CRO寄存器配置后，进行跳转，进入保护模式。
三、长模式
（1）长
长模式又称AMD64模式，寄存器位数为64位，寻址空间也为64位。
长模式保留大部分保护模式特性，如特权级检查和权限检查。
长模式下，CPU不再对段描述符中的段基址和段长度进行检查（MMU处理），只对DPL进行相关的检查（权限）。
长模式，实际上可以理解为保护模式的升级版，拓宽寄存器，并将保护模式中的段地址校验功能转交给MMU处理；
（2）寄存器
新增通用寄存器，并将其位宽扩展到32位，重点关注如下：
通用寄存器：RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RBP，R8~R15，用户存放数据，参与运算；
指令指针寄存器：代码段寄存器CS : 程序指针寄存器RIP，始终指向下一条指令的地址；
栈指针寄存器：数据段寄存器SS : 栈指针寄存器器RSP，始终指向当前栈顶；
标志寄存器：RFLAGS，存放CPU执行运算产生的状态位；
控制寄存器：CR0~CR4，控制CPU的功能特性
（3）中断
长模式的中断流程与保护模式类似，GDTR寄存器保存中断向量表的地址；
CPU根据中断消息转化成中断向量表索引，获取对应的中断门描述符；
CPU根据中断门描述符的信息，进行权限相关检查，然后将对应的段选择子和段内偏移装载CS:EIP寄存器，响应中断；
（4）切换
可以从从实模式切换到长模式，也可以从保护模式切换到长模式；
长模式下需要开启分页模式，由MMU提供内存保护（依赖页表）；
长模式也需要开启保护模式，保证权限检查功能；
四、总结
（1）实模式：16位寄存器位宽，原始简单，不检查指令权限和内存访问权限；
（2）保护模式：32位寄存器位宽，对指令权限严格控制，保护内存资源的访问；
（3）长模式：64位寄存器位宽，保留指令权限控制，将内存保护功能移交给MMU。
（4）附：ARM处理器的工作模式
ARM微处理器支持7种运行工作模式，分别为：
用户模式(usr)：ARM处理器正常的程序执行状态。非特权模式。
快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理。
外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理。
管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式。
数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护。
系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务。
定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。
除用户模式外，其余6种模式称为非用户模式或特权模式；用户模式和系统模式之外的5种模式称为异常模式。ARM处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。
