理解核心态和用户态.docx

386及以上的CPU实现了4个特权级模式（WINDOWS只用到了其中两个），其中特权级0（Ring0）是留给操作系统代码，设备驱动程序代码使用的，它们工作于系统核心态；而特权极3（Ring3）则给普通的用户程序使用，它们工作在用户态。运行于处理器核心态的代码不受任何的限制，可以自由地访问任何有效地址，进行直接端口访问。而运行于用户态的代码则要受到处理器的诸多检查，它们只能访问映射其地址空间的页表项中规定的在用户态下可访问页面的虚拟地址，且只能对任务状态段（TSS）中I/O许可位图（I/O Permission Bitmap）中规定的可访问端口进行直接访问（此时处理器状态和控制标志寄存器EFLAGS中的IOPL通常为0，指明当前可以进行直接I/O的最低特权级别是Ring0）。以上的讨论只限于保护模式操作系统，象DOS这种实模式操作系统则没有这些概念，其中的所有代码都可被看作运行在核心态。既然运行在核心态有如此之多的优势，那么病毒当然没有理由不想得到Ring0。处理器模式从Ring3向Ring0的切换发生在控制权转移时，有以下两种情况：访问调用门的长转移指令CALL，访问中断门或陷阱门的INT指令。具体的转移细节由于涉及复杂的保护检查和堆栈切换，不再赘述，请参阅相关资料。现代的操作系统通常使用中断门来提供系统服务，通过执行一条陷入指令来完成模式切换，在INTEL X86上这条指令是INT，如在WIN9X下是INT30（保护模式回调），在LINUX下是INT80，在WINNT/2000下是INT2E。用户模式的服务程序（如系统DLL）通过执行一个INTXX来请求系统服务，然后处理器模式将切换到核心态，工作于核心态的相应的系统代码将服务于此次请求并将结果传给用户程序。一，中断处理过程硬件中断：来自时钟，外设可编程中断：programmed interrupt，执行引起软件中断的指令。例外中断：如页面错。都由系统负责处理。当发生一个中断时，如果CPU正在比该中断级低的处理机运行级上运行，它就在解码下条指令之前，接受该中断，并提高处理机运行级。内核处理中断的操作顺序如下：1，对于正在进行的进程，保存其当前寄存器上下文，并创建压入一个新的上下文层。2，确定中断源，识别中断类型。如是时钟或磁盘的。3，查找中断向量。当系统接受一个中断时，它从机器中得到一个数，系统把这个作为查表的偏移量。这个表通常成为中断向量（interrupt vector）。中断向量的内容包括各种中断源的中断处理程序的地址，以及中断处理程序取得参数的方式。4，内核调用中断处理程序。5，中断处理程序执行那个返回，恢复（弹出）前一上下文层。二，软中断软中断通知进程发生了异步事件。系统有个进程表，每个进程在进程表中有有个进程表项，每个进程表项有个软中断信号字段，纪录发向一个进程的所有未处理的软中断信号。当一个进程即将从核心态返回到用户态时，或它要进入或离开一个适当的低调度优先级时，内核要检查它是否收到了一个软中断信号。内核仅当一个进程从核心态返回到用户态时才处理软中断信号。三，系统调用我们在C程序中调用系统调用好像是个一般的函数调用，当实际上调用系统调用会引起用户态到核心态的状态变化，这是怎么做到的呢？原来，C编译程序采用一个预定义的函数库（C之程序库），其中的函数具有系统调用的名字，从而解决了在用户程序中请求系统调用的问题。这些库函数一般都执行一条指令，该指令将进程的运行方式变为核心态，然后，使内核开始为系统调用执行代码。我们称这个指令为操作系统陷入（operating system trap）。系统调用的接口是一个中断处理程序的特例。在处理操作系统陷入时，1，内核根据系统调用号查系统调用入口表，找到相应的内核子程序的地址。2，内核还要确定该系统调用所要求的参数个数。3，从用户地址空间拷贝参数到U区（Unix V）。4，保存当前上下文，执行系统调用代码。核心态：当CPU正在运行内核代码时（内核代码是共享的）。用户态：当CPU正在运行用户代码时。用户模式：不可以访问内核空间（=0x80000000)内核模式：可以访问任何有效虚拟地址，包括内核空间。一个线程可以访问其他任何线程地址空间。WINCE下内核模式和用户模式有什么区别？ 为了使读者能够详细了解WINCE的地址映射原理还有两种模式，在这里我分几个部分说明： WINCE内核nk.exe的任务是管理操作系统核心功能。按照OEMAddressTable的映射要求，所有物理地址都映射到0x80000000以上，所以对于内核程序nk.exe和内核模式下的线程来说，只要访问0x80000000以上的有效虚拟地址经MMU就能够访问物理地址，无需再映射是内核模式的一个特点。内核模式的第二个特点是没有地址访问限制，内核模式线程可以访问任何有效虚拟地址，所谓有效虚拟地址是指有实际事物对应。 用户模式线程只能访问0x80000000以下的虚拟地址空间，WINCE6.0之前版本的内核为每个进程划分32MB的地址空间，在不调用特殊函数的情况下不能相互访问，这样的设计使得WINCE系统更安全、更稳定，限制访问地址是用户模式的第一个特点。第二个特点就是需要多一层映射，如果线程要访问物理内存的话需要先映射到0x80000000以上，再经MMU访问物理内存地址。 WINCE的线程具有转移性（参考 API GetCallerProcess的说明，有一个很好的例子），当应用程序的线程调用API或者调用驱动程序接口函数时，该线程会转移到 gwes.exe、device.exe、filesys.exe等进程中执行，转移是由WINCE内核操作的，它会修改线程的上下文，记录线程的当前进程、调用者进程、拥有者进程三个值。 如果在定制内核的时候选择了“Full Kernel Mode”，那么在这个内核上运行的所有线程都处于内核模式，即使调用SetKMode(FALSE)后线程仍然具有内核模式的特点，能够访问任何有效的虚拟地址。假设现有一个64MB RAM的 WINCE产品，RAM映射从0x80000000到0x84000000，如果线程处于内核模式，它就直接可以访问这个范围的虚拟地址： 在OnButton1()中编写 DWORD oldMode = SetKMode(FALSE); volatile int *piTemp = (volatile int*)(0x20000000+0x84000000-0x00019000); /或者(0x84000000-0x00019000) *piTemp = 12345; 在OnButton2()中编写 DWORD oldMode = SetKMode(FALSE); volatile int *piTemp = (volatile int*)(0x20000000+0x84000000-0x00019000); /或者(0x84000000-0x00019000) int iTemp = *piTemp; 先只执行OnButton1()然后关闭程序，再重启程序然后执行OnButton2()，iTemp仍然等于12345。结果说明了两点：内核模式线程可以直接访问0x80000000以上的有效虚拟地址；我们写到RAM中的数据没有丢失，说明虚拟地址有效。 如果在定制内核的时候没有选择“Full Kernel Mode”，那么在这个内核上运行的所有线程都处于用户模式。可以调用SetKMode(TRUE)使调用线程暂时处于内核模式，还是原来的假设环境，我再举个例子： 在OnButton1()中编写 DWORD oldMode = SetKMode(TRUE); volatile int *piTemp = (volatile int*)(0x20000000+0x84000000-0x00019000); /或者(0x84000000-0x00019000) *piTemp = 12345; 在用户模式下，如果不调用SetKMode(TRUE)，那么执行*piTemp = 12345一定会弹出对话框，提示地址访问非法，如果调用SetKMode(TRUE)就不会提示地址访问非法，而且在OnButton2()中仍然能得到12345这个值。 通过这两个例子我相信读者能够完全了解两种模式的区别了。 WINCE提供了两个函数SetKMode和SetProcPermissions，其中SetKMode能够把调用线程切换到内核模式，还可以切换回用户模式。SetProcPermissions + GetCurrentPermissions添加当前进程访问权限给调用线程， SetProcPermissions (0xFFFFFFFF)能让调用线程访问所有进程空间，但是调用线程仍然处于用户模式。SetKMode和 SetProcPermissions函数使得用户模式的特点不那么明晰。 如上所说一个应用程序的线程可能转移到其它两个进程地址空间中读写数据，而每一个线程在被创建的时候只有访问创建它的进程地址空间的权限，所以驱动程序开发者必须在驱动程序读写数据前调用SetKMode或者 SetProcPermissions增加调用此函数的线程访问其它进程空间的权限。如果一个应用程序的线程只转移到一个进程地址空间，一般为设备管理器进程device.exe，这种情况下不必增加线程访问其它进程空间的权限，但如果驱动程序本身创建了一个线程，那还是要调用SetKMode或者 SetProcPermissions增加新的线程访问其它进程的权限的，因为驱动程序创建线程时，当前进程为设备管理器，所以新线程只具有访问设备管理器进程空间的权限，而不具备访问应用程序进程空间的权限。 可能一个编写过简单的流驱动的初学者会很疑惑，因为开发一个简单的流驱动程序根本不需要调用这些函数，也没有调用过MapPtrToProcess，那是因为如果标准流驱动接口函数的参数为指针（ReadFile、 WriteFile、DeviceIoControl参数都有指针），WINCE内核会自动映射指针包含的地址，但仅此而已，其余任何情况都要求开发者自行处理，比如流接口函数的参数是一个指向结构体的指针PA，而结构体中包括指针PB，PB指针就必须在流接口函数中映射，映射后才能访问，否则就会造成地址访问非法。所以结构体中每个指针都要映射。 为了让读者能了解其中的原因，我举个例子： 假设设备管理器被加载到Slot4，应用程序A被加载到Slot 8，A只有一个主线程T，T开始执行，按照WINCE的规定，正获得CPU的进程必须映射到Slot0，那么在执行代码的时候 A的所有虚拟地址都被减去一个偏移值，也就是80x02000000，A调用DeviceIoControl，传递一个指向一个结构体的指针B，而这个结构体中包含一个指针C，指针C包含的地址假设为0x00030000，当执行DeviceIoControl时WINCE把设备管理器的进程地址空间映射到Slot0，因为放在注册表HKLMDriversBuiltIn下的驱动程序是由设备管理器加载的，自然驱动程序的代码段被加载到设备管理器进程空间，但是线程仍然是T，此时T的当前所在进程为设备管理器（CurrentProcess），A变成了T的调用者进程（CallerProcess），T自动具有了访问调用者进