Operating system 特权指令、陷阱和系统调用之间的关系

我试图了解虚拟机监视器（VMM）如何虚拟化CPU

我现在的理解是，当CPU处于用户模式时，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。此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中出现陷阱。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将自己从特权模式切换到用户模式。（来源：）

然而，我不太确定这种理解是否正确。本文提到（特权）x86 popf指令不会导致陷阱的概念，从而使VMM的事情变得复杂。据我所知，当用户程序显式调用而不是通过系统调用时，popf指令不应导致陷阱，而应导致保护故障中断

因此，我的两个具体问题是：

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

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我不是计算机体系结构方面的专家。但我有几个意见供你考虑：
• CPU有两种指令
  • 正常说明，例如，添加、子等
  • 特权指令，如启动I/O、

    从受保护内存加载/存储

    等
• 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：处理器执行用户程序中的正常指令
  • 内核模式：处理器同时执行普通指令和特权指令（OS==内核）
• 操作系统将特权指令隐藏为

  系统调用

  。如果用户程序调用它们，它将导致异常（抛出软件中断），这将导致 向量到内核处理程序，

  trap

  到内核模式和切换上下文
• 在用户模式下遇到特权指令时，处理器

  将
  捕获到内核模式。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，并将控制切换到操作系统，然后由操作系统决定操作过程。地址由定义，在操作系统启动时设置

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无特定顺序：
您的困惑主要是因为操作系统社区没有标准化的词汇表。这里有一些术语，有时指的是同一件事，有时指的不是：异常、故障、中断、系统调用和陷阱。每个作者通常会一致使用这些术语，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
• 异步中断（例如，由需要服务的i/o设备引起）
• 系统调用指令（x86上的

  int

  ）。（更一般地说，在x86手册中，这些被称为陷阱，并包括一些其他指令（主要针对调试器）
• 执行异常操作的指令（非法指令、保护故障、除以0、页面故障等）。（不同的作者称这些异常、故障或陷阱。x86手册称这些故障。）
每个中断、陷阱或故障都有不同的编号
在所有情况下：
• 处理器进入特权模式
• 用户模式寄存器保存在某个地方
• 处理器找到中断向量表的基址，并使用中断/陷阱/故障号作为表中的偏移量。这将为该中断/陷阱/故障提供一个指向服务例程的指针
• 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使用了正确的代码
• 当服务例程完成时，它调用中断返回指令（

  iret

  on x86）。（这是x86上故障和陷阱之间的细微区别：故障返回到导致故障的指令，陷阱返回到陷阱后的指令。）
请注意令人困惑的名称“中断向量表”。尽管它被称为中断表，但它也用于故障和陷阱。（这导致一些作者将一切都称为中断。）

popf

问题相当微妙。这本质上是x86体系结构中的一个缺陷。当

popf

从用户模式执行时，它不会导致陷阱或故障（或异常、中断或任何您想调用它的东西）。它只是充当noop
这有关系吗？嗯，对于一个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、Xen或Hyper-V），则VMM正在保护模式下运行，并且您希望在用户模式下运行来宾操作系统，并高效地模拟任何保护模式代码。当来宾操作系统使用

popf

指令时，您希望它生成一般保护故障，但它不会。（

cli

和

sti

指令会生成一个通用的