Linux Kernel Mode与User Mode的实质

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本文详细解析了Linux操作系统如何在ARM架构上运行，探讨了Kernel Mode与User Mode的区别及其实现原理，包括不同处理器模式间的切换机制。


Linux Kernel Mode与User Mode的实质

     －－－Linux 在ARM Architecture上的实现

 

Linux Kernel作为一种操作系统有别与一般的用户程序，即所谓的kernel mode和user mode。Kernel mode下运行的程序能够访问所有的memory，能够处理interrupt；而user mode的程序只能访问有限的memory，不能直接处理中断。那么kernel mode和user mode的这些差别是由谁来决定的呢？归根结底，所有的程序都是CPU的指令，同样的指令有的时候能做某件事，有的时候不能，这都是由指令执行时CPU的Mode决定的。简而言之就是说，执行Kernel指令的时候，CPU处于特权模式，可以访问所有Memory;执行user program的指令时，CPU处于user mode，读写memory受限制；而当Interrupt发生时，因为要操作硬件，所以CPU会从原来工作的Mode切换到特权模式来执行Interrupt handler。下面将详细阐述Linux操作系统是怎样在ARM architecture上运转的。

 

  1. ARM的Processor Mode

ARM有以下7种Processor Mode，当前处于的模式有程序状态寄存器Current Program Status Register (CPSR)的bit4:0决定：

  • User: 用户模式User Mode

  • FIQ : 快速中断Fast Interrupt Request

  • IRQ: 普通中断Normal Interrupt Request

  • SVC: 管理模式Supervisor Mode

  • Abort: 异常模式 Abort Mode

  • Undefined: 未定义模式 Undefined Mode

  • System: 系统模式

其中User Mode是一种受限制的模式，其他6种都是特权模式(Privilege Mode)。

 

这些模式间可以相互切换，切换方法可以归结为以下两种：

 

第一种：由CPU本身硬件完成切换

CPU本身主动进行模式切换是因为在执行指令的时候发生了某种“意外“，这种”意外“就是Exception。一旦Exception发生，CPU就要立即切换到这种Exception相对应的模式去处理该Exception。所有Exception都在Privilege Mode下处理。ARM CPU共有6种Exception，他们发生的条件和发生后进入的CPU模式如下：

 

 

Exception

触发条件

进入CPU模式

Reset

CPU的Reset pin被Assert （CPU Power on时，Reset pin会被Assert）

SVC

Undefined Instruction:

企图执行一条不认识的指令

Undefined

Software Interrupt (SWI)

执行指令SWI

SVC

Prefetch Abort

获取指令失败

Abort

Data Abort

获取数据失败

Abort

IRQ

普通中断发生，CPU的IRQ pin被Assert

IRQ

FIQ

快速中断发生，CPU的FIQ pin被Assert

FIQ

 

请注意Exception和CPU模式中都有IRQ和FIQ，但他们的意义是不同的。前者指一个Exception的事件，后者指一种CPU运行的模式。

 

第二种：程序修改CPSR

某些指令是可以修改CPSR的，在程序中执行这些指令就能切换CPU的模式。但是这些模式两两之间并不是都可以通过修改CPSR来实现切换的，如User Mode下不可以修改CPSR切换到其他Mode。通常从Exception中返回时要修改CPSR，从而恢复到Exception发生时的CPU Mode继续执行。


  1. Linux的Kernel mode和User mode


     Linux Kernel工作在Privilege mode下，它需要处理所有在privilege mode下完成的工作。如IRQ，FIQ Exception发生时，进入相应的Privilege Mode，由Kernel来处理相应的IRQ, FIQ事件。也就是说，Kernel 对应CPU的6中Privilege Mode。正是因为privilege mode可以对系统资源“特权“的访问，所以kernel能够控制所有的软硬件资源，因而被称为”操作系统“。



     User mode运行在CPU的User processor mode下，所以在访问memory等方面都有限制，用户的各种Application都运行在User Mode下。User Mode下的程序想要访问只有Privilege Mode才能访问的资源就必须使用系统调用（System Call），进入Kernel Mode来处理。从User Mode进入Priviledge mode的唯一方式是swi指令，这条指令执行会触发Software Interrupt Exception, 从而进入SVC模式。所以System call的实质就是通过swi指令进入Kernel Mode。在kernel中处理完毕后，kernel会将CPU切回到User Mode继续执行，同时将调用结果返回到User Mode。

 

下表说明了CPU Mode与Linux Mode之间的对应关系：

 

User

FIQ

IRQ

Supervisor

Abort

Undefined

System

Kernel Mode

 

√

√

√

√

√

√

User Mode

√

 

 

 

 

 

 

 

  1. CPU Mode切换的场合在Linux中的实现

如 前所述，所有CPU privilege模式下的工作都对应于OS的Kernel mode，那么所谓Linux Kernel mode和User mode之间的切换映射到CPU层面来说就是CPU的User mode怎样切换到其他6种mode，每种privilege mode又怎样切换到User mode的。同时，6中Privilege Mode之间当Exception发生时也会切换。下面我们将对照Linux kernel 2.6.33的代码来逐一分析每种Exception发生时Linux Kernel是怎样处理的。


在ARM Architecture中，Exception发生时指令将从固定的地址开始执行。所以必须在这些地址上放置正确的代码来处理相应的Exception。这些固定的地址也称向量，由CP15 Reg1中的V bit控制，可以在虚拟内存的底部或顶部。注意是虚拟内存，也就是说这些向量的固定地址是虚拟地址，是要经过MMU转换的。各Exception对应的向量地址（虚拟地址）如下：

Low Vector

High Vector

Reset

0

0xFFFF0000

Undefined Instruction:

0x04

0xFFFF0004

Software Interrupt (SWI)

0x08

0xFFFF0008

Prefetch Abort

0x0C

0xFFFF000C

Data Abort

0x10

0xFFFF0010

IRQ

0x18

0xFFFF0018

FIQ

0x1C

0xFFFF001C


在Linux kernel中向量位于高地址，由CONFIG_VECTORS_BASE控制，Default为0xFFFF0000，在__arm926_setup中将CP15 control register 1的V bit置为1（High Vector）。向量表在源代码里位于entry-armv.S中，从__vector_start开始，在FIQ, IRQ等被enable前，必须要copy到0xFFFF0000开始的高地址。Copy的时点在start_kernel ()->setup_arch()->early_trap_init()中。在setup_arch()之后的local_irq_enable（）才是真正clear CPSR的I-bit，至此，IRQ才Enable了。

下面逐一讲述各Exception Handler的实现。

  1. Reset

CPU Power on后即触发Reset Exception。Reset发生后，CPU进入SVC Mode, PC被设置为0，即从内存地址0开始执行代码。这是系统启动的开端。对应arm Linux中，arch/arm/kernel/head.S中的“__HEAD"开始即是系统执行的Kernel的第一行代码（2.6.33中是设置CPSR，disable FIQ, IRQ)。用objdump vmlinux也可以看到此行代码是Kernel的第一条指令。详细Linux启动的过程在”Linux Kernel的启动过程“一文中阐述。

在向量表中Reset Exception的向量处是执行swi SYS_ERROR0，这条指令将触发SWI Exception，在vector_swi中通过判断参数，最终将执行到die()，系统停止运行。也就是说，Linux在运行过程中发生Reset Exception，将被认为是系统错误而停止。

  1. 发生IRQ

IRQ Exception发生时将从__vector_irq开始执行。这部分代码稍显晦涩。源代码中__vector_irq这个符号是由__vector_stub这个宏产生的。__vector_stub这个宏实现了IRQ和Abort Exception的共用部分，主要是保存SPSR，然后根据发生Exception时 的Program Mode跳转到相应的处理分支上。处理分支的table是紧跟在_vector_stub之后，可以看到每一种Program mode下发生IRQ对应于table中的一个entry。SVC下发生IRQ的时候就进入__irq_svc，User Mode下发生IRQ的时候就进入__irq_user。关于__irq_usr和__irq_svc中具体是怎样处理IRQ的，详见“Linux中IRQ的处理“一文。

  1. 发生Prefetch Abort

与IRQ一样，发生Prefrech Abort时将跳转到__pabt_usr和_pabt_svc的分支上处理。

  1. 发生Data Abort

同样，发生Data Abort时将跳转到__dabt_usr和_dabt_svc的分支上处理。

  1. 发生Undefined Instruction Abort

同样，发生Undefined InstructionAbort时将跳转到__und_usr和_und_svc的分支上处理。

__irq_usr，__pabt_usr, __dabt_usr, __und_usr都是从User Mode发生Exception进入到相应 Mode，完成相应处理后在返回User Mode，所以在入口处有宏user_entry来处理User Mode->相应exception Mode的模式切换，__irq_usr处理完IRQ之后需要返回User Mode，宏ret_to_user来完成各exception Mode－>User Mode的切换。

__irq_svc，__pabt_svc, __dabt_svc, __und_usr都是从SVC Mode发生Exception进入到相应 Mode，完成相应处理后在返回SVC Mode，所以在入口处有宏svc_entry来处理SVC Mode->P相应exception Mode的模式切换，exception handler处理完之后需要返回SVC Mode，宏svc_exit来完成各exception Mode－>User Mode的切换。

  1. 发生SWI

     SWI是由swi指令触发的exception，目的是从user mode进入SVC mode。可想而知所有User模式下软件的系统调用(system call)都是通过swi指令进入Kernel模式的。System call的实质就是swi指令。Glibc中包含了一系列System call，如最常用open, read, write, ioctl，每个system call对应一个system call number。每个system call在kernel中都有相对应函数来完成。在__vector_start开始的向量表中SWI exception handle将从vector_swi开始执行。实际vector_swi的代码在entry-common.S中。vector_swi主要做得事情就是根据User Mode执行swi时存在寄存器中的system call number找到kernel中对应的handler routine，并跳转到该routine执行。System call带有参数，具体这些参数怎样存放在寄存器中由Application Binary Interface的版本规定。所以在vector_swi中可以看到很多OABI，EABI的#ifdef判断。vector_swi最重要的地方是根据system call number (scno)跳转的相应的handler routine执行。Handler routine的table在calls.S中，可以看到handler routine都是以sys_开头的，总共有360多个system call。sys_read对应于User Mode下的系统调用函数read，sys_socket对应于socket。执行完handler routine后，通过ret_fast_syscall返回User Mode。这里还有一点要说明，在User Mode下System call是通过swi指令进入Kernel，在Kernel里同样也可以执行swi指令触发SWI Exception，同样也是从vector_swi开始执行。这种情况下会跳转到arm_syscall，这是Kernel内部用于对arm进行某些操作，如cache flush等。

  1. 发生FIQ

    向量表上FIQ exception将跳转到vector_fiq，但vector_fiq实际只是简单的返回了。应该可以根据需要在这里添加代码来处理FIQ。

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