0 引言

本文是在linux系统编程中所沉淀。主要从代码层面出发，直觉感受CPU特权级别的作用，然后初步讲解CPU特权级别的概念。

1 反汇编代码

本部分从两个代码示例出发。

反汇编代码访问RAX寄存器的内容，其代码示例如下

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstdint>int64_t get_rcx() {asm volatile("push %rcx\n\t""movq $10, %rcx\n\t""movq %rcx, %rax\n\t");asm volatile("pop %rcx");
}int main() {std::cout << "Hello, inline assembly: [RCX] = " << get_rcx() << "\n";return 0;
}

上述输出结果为

Hello, inline assembly: [RCX] = 10

反汇编访问CR0控制寄存器，其代码如下

int64_t get_cr0() {asm volatile ("movq %cr0, %rax");
}int main() {std::cout << "Hello, inline assembly: [CR0] = " << get_cr0() << "\n";return 0;
}

其输出结果如下

Segmentation fault (core dumped)

那么，为什么应用程序访问cr0控制寄存器会coredump呢？

2 CPU特权级

出于操作系统及其控制的硬件资源的安全性、稳健性和正确性等原因，所有现代 CPU 都包含特权级别的概念。

现代 CPU 将支持至少两个特权级别或模式，通常由如下两部分构成：

特权(Supervisor)
用户

代码（即机器指令）在 CPU 上以给定的特权级别或模式运行。设计和实现操作系统的人可以自由地利用处理器特权级别。这正是现代操作系统的设计方式。下表总结了通用 CPU 特权级别

权限级别或模式名称	特权级别	目的	术语
特权	高	内核代码跑在此层	内核空间
用户	低	用户代码跑在此层	用户空间

下面以x86架构讲解CPU的特权级别(ring), 英特尔处理器支持四种特权层级，分别为

ring0
ring1
ring2
ring3

上图箭头方向特权级别逐渐升高，ring0特权级别最高，内核代码运行在此；ring3特权级别最低，应用程序在此。

为了进一步理解CPU特权级别，需要明白当前特权级别的概念，也即CPL。

当前特权级别 (CPL) ：处理器当前执行代码的特权级别。

譬如，在一个处理器上有如下两条指令

机器指令a有特权级别(Ring0)
机器指令b有用户特权级别(Ring3)

因此，对于执行这些机器指令的正在运行的应用程序，会出现下表所示现象

机器指令	允许特权	CPL	是否work
a	特权(0)	0	是
a	特权(0)	3	否
b	用户(3)	0	是
b	用户(3)	3	是

故可知，高特权级可以使用低特权层级，而低特权层级无法运行高特权层级的指令。

故在第一部分会出现CR0寄存器时，出现coredump。

4 总结

本文针对cpu特权层级进行了初步讲解，通过本文可以初步明白cpu特权级别(内核态，用户态)相关概念。

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