特权指令、陷阱和系统调用之间的关系

Question

我正在尝试了解虚拟机监视器 (VMM) 如何虚拟化 CPU。

我现在的理解是，当 CPU 处于用户模式时，当特权指令即将执行时，CPU 会发出保护故障中断。在像 C 这样的高级语言中，特权指令被包装在系统调用中。例如，当应用程序需要当前日期和时间（与 I/O 设备交互的指令具有特权）时，它会调用某个库函数。该库函数的汇编版本包含一条名为“int”的指令，该指令会导致 CPU 陷入陷阱。 CPU 从用户模式切换到特权模式并跳转到操作系统提供的陷阱处理程序。每个系统调用都有自己的陷阱处理程序。在本例中，陷阱处理程序从硬件时钟读取日期和时间并返回，然后 CPU 将自身从特权模式切换到用户模式。 （来源：http://elvis.rowan.edu/~hartley/Courses/OperatingSystems/Handouts/030Syscalls.html）

但是，我不太确定这种理解是否正确。本文提到了（特权）x86 popf 指令不会导致陷阱，从而使 VMM 变得复杂的概念：http://www.csd.uwo.ca/courses/CS843a/papers/intro-vm.pdf。根据我的理解，当用户程序显式调用而不是通过系统调用时，popf 指令不应该导致陷阱而是保护错误中断。

所以我的两个具体问题是：

• 当用户程序在 CPU 处于用户模式时执行特权指令时会发生什么？
• 当用户程序执行系统调用时会发生什么？

Answer 1

不分先后：

您的困惑主要是因为操作系统社区没有标准化的词汇。以下是一些经常使用的术语，有时意思相同，有时不同：exception、fault、interrupt、系统调用 和 陷阱。任何个人作者通常都会一致地使用这些术语，但不同的作者对它们的定义不同。

有 3 种不同类型的事件会导致进入特权模式。

1. 异步中断（例如，由需要服务的 i/o 设备引起。）
2. 系统调用指令（x86 上的int）。 （在 x86 手册中更普遍地，这些被称为 陷阱 并包含一些其他指令（主要用于调试器。）
3. 执行异常操作的指令（非法指令、保护错误、除以 0、页面错误……）。 （不同的作者称这些异常、错误或陷阱。x86手册称这些错误。）

每个中断、陷阱或故障都有一个与之关联的不同编号。

在所有情况下：

1. 处理器进入特权模式。
2. 用户模式寄存器保存在某处。
3. 处理器找到中断向量表的基地址，并使用中断/陷阱/故障编号作为表中的偏移量。这为该中断/陷阱/故障提供了一个指向服务例程的指针。
4. 处理器跳转到服务例程。现在我们处于保护模式，用户级别的状态都保存在我们可以获取的地方，并且我们在操作系统中的正确代码中。
5. 当服务例程完成时，它调用中断返回指令（x86 上为iret。）（这是 x86 上错误和陷阱之间的细微区别：错误返回到导致错误的指令，陷阱在陷阱之后返回指令。）

请注意“中断向量表”这个令人困惑的名称。尽管它被称为 interrupt 表，但它也用于故障和陷阱。 （这导致一些作者将 everything 称为中断。）

popf 问题相当微妙。这本质上是 x86 架构中的一个错误。当popf 从用户模式执行时，它确实不会导致陷阱或错误（或异常或中断或任何你想调用的东西）。它只是充当一个 noop。

这有关系吗？好吧，对于普通的操作系统来说，这并不重要。另一方面，如果您正在实施虚拟机监视器（如 VMWare 或 Xen 或 Hyper-V），则 VMM 在保护模式下运行，并且您希望在用户模式下运行来宾操作系统 并有效地模拟任何保护模式代码。当客户操作系统使用popf 指令时，您希望它生成一般保护错误，但它不会。 （如果从用户模式调用，cli 和 sti 指令会生成一般保护错误，这正是您想要的。）

Answer 2

我不是计算机架构方面的专家。但我有几点意见供您参考：

1. CPU有两种指令
   • 普通指令，例如add、sub等。
   • 特权指令，例如，从受保护的内存启动 I/O、load/store 等。
2. 机器（CPU）有两种模式（由受保护寄存器中的状态位设置）：
   • 用户模式：处理器在用户程序中执行普通指令
   • 内核模式：处理器同时执行普通和特权指令（OS ==内核）
3. 操作系统将特权指令隐藏为system calls。如果用户程序调用它们，它会导致一个异常（抛出一个软件中断），这 向量到内核处理程序，trap 到 kernel 模式和切换上下文。
4. 在用户模式遇到特权指令时，处理器trap进入内核模式。根据发生的情况，它可能是几个陷阱之一，例如内存访问冲突、非法指令冲突或寄存器访问冲突。陷阱将处理器的执行切换到内核模式，并将控制权切换到操作系统，然后由操作系统决定行动方案。地址由trap vector 定义，在操作系统启动时设置。