Operating system 在操作系统的上下文中，环0和环3是什么？

我一直在学习Windows中驱动程序开发的基础知识，我一直在寻找术语环0和环3。这些是指什么？它们是否与内核模式和用户模式相同？

英特尔处理器（x86和其他处理器）允许应用程序使用有限的电源。为了限制（保护）关键资源，如IO、内存、端口等，与操作系统（本例中为Windows）联系的CPU提供特权级别（0为最高特权，3为最低特权），分别映射到内核模式和用户模式

因此，操作系统运行环0中的内核代码——由CPU提供的最高特权级别（0）——以及环3中的用户代码

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有关更多详细信息，请参阅Linux x86环使用概述

了解环在Linux中的使用方式将使您对它们的设计目的有一个很好的了解

在x86保护模式下，CPU始终处于4个环中的一个环中。Linux内核仅使用0和3：

• 0表示内核
• 3为用户提供

这是内核与用户区之间最硬最快的定义

为什么Linux不使用环1和环2：

如何确定当前环？

通过以下组合选择当前环：

• 全局描述符表：GDT项的内存表，每个项都有一个字段

  Privl

  ，用于对环进行编码
  LGDT指令将地址设置为当前描述符表
  另见：

• 段寄存器CS、DS等，它们指向GDT中某个条目的索引
  例如，

  CS=0

  意味着GDT的第一个条目当前对于正在执行的代码是活动的

每个戒指能做什么？

CPU芯片的物理构造应确保：

• 环0可以做任何事情

• 环3不能运行多条指令并写入多个寄存器，最明显的是：
  • 不能改变自己的戒指！否则，它会将自身设置为环0，环将无效
    换言之，无法修改电流，这决定了当前环

  • 无法修改页面表：
    换句话说，不能修改CR3寄存器，而分页本身阻止了对页表的修改
    出于安全/易于编程的原因，这会防止一个进程看到其他进程的内存

  • 无法注册中断处理程序。这些都是通过写入内存位置来配置的，这也是通过分页来阻止的
    处理程序在环0中运行，将破坏安全模型
    换句话说，不能使用LGDT和LIDT指令

  • 无法执行输入/输出指令，如

    输入

    和

    输出

    ，因此具有任意硬件访问
    否则，例如，如果任何程序都可以直接从磁盘读取，则文件权限将毫无用处
    更确切地说，这要归功于：操作系统实际上可以在环3上允许IO指令，这实际上是由控制的
    不可能的是，如果环3一开始没有它，它就允许自己这样做
    Linux总是不允许它。另见：

程序和操作系统如何在环之间转换？

• 当CPU打开时，它开始运行环0中的初始程序（这是一种很好的近似值）。您可以将此初始程序视为内核（但通常是）

• 当userland进程希望内核为其执行某些操作（如写入文件）时，它使用一条生成中断的指令（如向内核发送信号）。x86-64 Linux系统调用hello world示例：

编译并运行：

as-o hello\u world.o hello\u world.S
ld-o hello_world.out hello_world.o
/您好，我们的世界

当这种情况发生时，CPU调用内核在引导时注册的中断回调处理程序。这是一本书

此处理程序在环0中运行，它决定内核是否允许此操作，执行该操作，并在环3中重新启动userland程序。x86_64

• 当使用

  exec

  系统调用（或内核）时，新userland进程的内核将跳转到入口点，并将CPU切换到环3

• 如果程序试图做一些顽皮的事情，比如写入禁止的寄存器或内存地址（因为分页），CPU还会调用环0中的某个内核回调处理程序
  但是，由于userland是顽皮的，内核这次可能会终止进程，或者给它一个带有信号的警告

• 当内核启动时，它设置一个固定频率的硬件时钟，该时钟周期性地产生中断
  此硬件时钟生成运行环0的中断，并允许它计划唤醒哪些userland进程
  这样，即使进程没有进行任何系统调用，也可以进行调度

拥有多个戒指有什么意义？

分离内核和用户区有两个主要优点：

• 制作程序更容易，因为您更确定其中一个不会干扰另一个。例如，一个userland进程不必担心由于分页而覆盖另一个程序的内存，也不必担心将另一个进程的硬件置于无效状态
• 它更安全。例如，文件权限和内存分离可防止黑客应用程序读取您的银行数据。当然，这假设您信任内核

如何使用它？

我已经创建了一个裸机设置，这应该是直接操作戒指的好方法：

不幸的是，我没有耐心去做一个userland的例子，但我确实做了一次尝试

.data
hello_world:
    .ascii "hello world\n"
    hello_world_len = . - hello_world
.text
.global _start
_start:
    /* write */
    mov $1, %rax
    mov $1, %rdi
    mov $hello_world, %rsi
    mov $hello_world_len, %rdx
    syscall

    /* exit */
    mov $60, %rax
    mov $0, %rdi
    syscall

.text
.global _start
_start:
    /* write */
    mov x0, 1
    ldr x1, =msg
    ldr x2, =len
    mov x8, 64
    svc 0

    /* exit */
    mov x0, 0
    mov x8, 93
    svc 0
msg:
    .ascii "hello syscall v8\n"
len = . - msg

sudo apt-get install qemu-user gcc-arm-linux-gnueabihf
arm-linux-gnueabihf-as -o hello.o hello.S
arm-linux-gnueabihf-ld -o hello hello.o
qemu-arm hello