计算机怎么知道用户态和内核态？
一台计算机如何区分用户态和内核态，这背后隐藏着精巧的硬件设计和操作系统软件的协同工作。简单来说，这是一个关于权限控制和安全隔离的问题，就像一个国家的公民和政府官员一样，他们拥有不同的权限和责任。
根本原因：硬件支持
这一切的起点在于CPU本身。现代CPU的设计并不是一个“大杂烩”，而是内部有明确的区域划分，就像一个公司里有前台接待（用户态）和核心管理层（内核态）一样。CPU内部有一个叫做“CPU模式位”或者“特权级位”的寄存器，它是一个非常小的位，通常只有一两位，但作用巨大。
用户态 (User Mode)： 当CPU处于用户态时，这个模式位被设置为某个值（比如0）。这时，CPU会限制它能够执行的指令种类。就好比一个普通公民，你可以合法地做很多事情，比如去商店购物，去公园散步，但你不能随意闯入政府机关，也不能制造炸弹。在用户态下，CPU能够访问的内存区域也是受限的，它只能访问操作系统分配给当前进程的“私有”内存空间。任何试图访问受保护内存区域或者执行特权指令的操作，都会被CPU硬件立即阻止。
内核态 (Kernel Mode)，也称为特权模式 (Privileged Mode) 或超级用户模式 (Superuser Mode)： 当CPU处于内核态时，这个模式位会被设置为另一个值（比如1）。这时候，CPU的束缚就大大放松了。CPU可以执行任何指令，包括那些能够直接操作硬件、管理内存、控制进程调度、处理中断等高度敏感的操作。就好比政府官员，他们拥有调动国家资源、制定法律、维护公共秩序的权力。在内核态下，CPU可以访问系统的所有内存，包括操作系统本身的内核代码和数据。
CPU如何感知模式？
CPU在执行每一条指令的时候，都会检查这个模式位。
指令集的设计： CPU的设计者专门为一些关键的、能够影响整个系统运行的指令（比如访问硬件设备、修改内存页表、设置时钟等）设定了“特权指令”的标签。这些指令在CPU的指令集里被标记为“只有在内核态下才能执行”。
硬件检查： 当CPU遇到一条指令时，它会查看这条指令的属性。如果这条指令被标记为特权指令，CPU会先检查当前的模式位。
如果当前是内核态，CPU就允许执行这条指令。
如果当前是用户态，CPU会立即发出一个异常信号（也称为陷阱 Trap 或软件中断 Software Interrupt），然后停止执行当前指令。这个异常信号会通知操作系统，操作系统随后会根据情况处理这个错误（通常是终止该进程，因为它试图做一些它不该做的事情）。
操作系统如何利用CPU的模式？
操作系统是这个模式切换和控制的“幕后推手”。它巧妙地利用了CPU的硬件特性来管理用户程序和自身核心（内核）的运行。
1. 启动过程： 当计算机启动时，CPU默认处于内核态。操作系统加载到内存后，也就运行在内核态。这是必要的，因为操作系统需要初始化硬件、设置内存管理、加载驱动程序等一系列需要高权限的操作。
2. 程序执行： 当用户程序（比如你正在浏览网页的浏览器）运行时，操作系统会将CPU切换到用户态。CPU开始执行用户程序的代码。
3. 系统调用 (System Calls)： 用户程序想要执行某些需要高权限的操作时（比如读取一个文件，或者在屏幕上显示一些内容），它不能直接执行特权指令。它必须通过一种叫做“系统调用”的机制来请求操作系统帮忙。
用户程序会准备好一个特定的“请求码”，告诉操作系统它想做什么，以及相关的参数（比如文件名）。
然后，用户程序会执行一个特殊的指令，比如`INT 0x80` (在x86架构上，表示软件中断)，或者`SYSCALL`（在现代处理器上更常用的指令）。
这个指令的执行会触发CPU的中断机制。CPU检测到这个特殊的指令，并且它是一个预定义的“软件中断”指令。
CPU会自动地将当前的CPU模式从用户态切换到内核态。
同时，CPU会将当前用户进程的上下文信息（比如寄存器的值、指令指针等）保存起来，以便之后恢复。
CPU会跳转到操作系统内核中预设好的一个“系统调用处理程序”的入口点。
操作系统内核开始执行这个系统调用处理程序，它会根据用户程序提供的请求码和参数，执行相应的特权操作（比如打开文件，从磁盘读取数据）。
当操作完成时，内核会将结果（如果需要的话）存放在用户程序可以访问的内存区域，并再次切换CPU模式回到用户态。
最后，CPU会根据之前保存的上下文信息，恢复用户程序的执行，让它继续从中断点之后的地方运行。
4. 中断和异常处理： 除了系统调用，硬件中断（比如键盘输入、网络数据到达）和软件异常（比如除零错误、访问无效内存）也会导致CPU从用户态切换到内核态。CPU收到这些信号后，同样会切换到内核态，由操作系统内核的中断处理程序来处理这些事件。处理完毕后，内核再将CPU切换回用户态，让用户程序继续执行。
总结一下这个流程：
硬件是基础： CPU有模式位，并且指令集区分了特权指令和非特权指令。
软件是执行者： 操作系统通过控制CPU何时处于何种模式，以及如何响应中断和系统调用来管理用户程序。
系统调用是桥梁： 用户程序需要特权时，通过系统调用请求内核服务，内核通过切换模式来执行。
安全隔离是目的： 用户态和内核态的区分，确保了用户程序无法直接访问和破坏操作系统或其他程序的内存和资源，从而保证了系统的稳定性和安全性。
简单来说，用户态和内核态就像是给CPU戴上了两种不同的“帽子”。用户态的帽子限制了它的活动范围，而内核态的帽子则赋予了它掌控一切的权力。操作系统就像一个聪明的管理者，知道什么时候给CPU戴哪顶帽子，让它在安全和高效之间取得平衡。
根本原因：硬件支持
这一切的起点在于CPU本身。现代CPU的设计并不是一个“大杂烩”，而是内部有明确的区域划分，就像一个公司里有前台接待（用户态）和核心管理层（内核态）一样。CPU内部有一个叫做“CPU模式位”或者“特权级位”的寄存器，它是一个非常小的位，通常只有一两位，但作用巨大。
用户态 (User Mode)： 当CPU处于用户态时，这个模式位被设置为某个值（比如0）。这时，CPU会限制它能够执行的指令种类。就好比一个普通公民，你可以合法地做很多事情，比如去商店购物，去公园散步，但你不能随意闯入政府机关，也不能制造炸弹。在用户态下，CPU能够访问的内存区域也是受限的，它只能访问操作系统分配给当前进程的“私有”内存空间。任何试图访问受保护内存区域或者执行特权指令的操作，都会被CPU硬件立即阻止。
内核态 (Kernel Mode)，也称为特权模式 (Privileged Mode) 或超级用户模式 (Superuser Mode)： 当CPU处于内核态时，这个模式位会被设置为另一个值（比如1）。这时候，CPU的束缚就大大放松了。CPU可以执行任何指令，包括那些能够直接操作硬件、管理内存、控制进程调度、处理中断等高度敏感的操作。就好比政府官员，他们拥有调动国家资源、制定法律、维护公共秩序的权力。在内核态下，CPU可以访问系统的所有内存，包括操作系统本身的内核代码和数据。
CPU如何感知模式？
CPU在执行每一条指令的时候，都会检查这个模式位。
指令集的设计： CPU的设计者专门为一些关键的、能够影响整个系统运行的指令（比如访问硬件设备、修改内存页表、设置时钟等）设定了“特权指令”的标签。这些指令在CPU的指令集里被标记为“只有在内核态下才能执行”。
硬件检查： 当CPU遇到一条指令时，它会查看这条指令的属性。如果这条指令被标记为特权指令，CPU会先检查当前的模式位。
如果当前是内核态，CPU就允许执行这条指令。
如果当前是用户态，CPU会立即发出一个异常信号（也称为陷阱 Trap 或软件中断 Software Interrupt），然后停止执行当前指令。这个异常信号会通知操作系统，操作系统随后会根据情况处理这个错误（通常是终止该进程，因为它试图做一些它不该做的事情）。
操作系统如何利用CPU的模式？
操作系统是这个模式切换和控制的“幕后推手”。它巧妙地利用了CPU的硬件特性来管理用户程序和自身核心（内核）的运行。
1. 启动过程： 当计算机启动时，CPU默认处于内核态。操作系统加载到内存后，也就运行在内核态。这是必要的，因为操作系统需要初始化硬件、设置内存管理、加载驱动程序等一系列需要高权限的操作。
2. 程序执行： 当用户程序（比如你正在浏览网页的浏览器）运行时，操作系统会将CPU切换到用户态。CPU开始执行用户程序的代码。
3. 系统调用 (System Calls)： 用户程序想要执行某些需要高权限的操作时（比如读取一个文件，或者在屏幕上显示一些内容），它不能直接执行特权指令。它必须通过一种叫做“系统调用”的机制来请求操作系统帮忙。
用户程序会准备好一个特定的“请求码”，告诉操作系统它想做什么，以及相关的参数（比如文件名）。
然后，用户程序会执行一个特殊的指令，比如`INT 0x80` (在x86架构上，表示软件中断)，或者`SYSCALL`（在现代处理器上更常用的指令）。
这个指令的执行会触发CPU的中断机制。CPU检测到这个特殊的指令，并且它是一个预定义的“软件中断”指令。
CPU会自动地将当前的CPU模式从用户态切换到内核态。
同时，CPU会将当前用户进程的上下文信息（比如寄存器的值、指令指针等）保存起来，以便之后恢复。
CPU会跳转到操作系统内核中预设好的一个“系统调用处理程序”的入口点。
操作系统内核开始执行这个系统调用处理程序，它会根据用户程序提供的请求码和参数，执行相应的特权操作（比如打开文件，从磁盘读取数据）。
当操作完成时，内核会将结果（如果需要的话）存放在用户程序可以访问的内存区域，并再次切换CPU模式回到用户态。
最后，CPU会根据之前保存的上下文信息，恢复用户程序的执行，让它继续从中断点之后的地方运行。
4. 中断和异常处理： 除了系统调用，硬件中断（比如键盘输入、网络数据到达）和软件异常（比如除零错误、访问无效内存）也会导致CPU从用户态切换到内核态。CPU收到这些信号后，同样会切换到内核态，由操作系统内核的中断处理程序来处理这些事件。处理完毕后，内核再将CPU切换回用户态，让用户程序继续执行。
总结一下这个流程：
硬件是基础： CPU有模式位，并且指令集区分了特权指令和非特权指令。
软件是执行者： 操作系统通过控制CPU何时处于何种模式，以及如何响应中断和系统调用来管理用户程序。
系统调用是桥梁： 用户程序需要特权时，通过系统调用请求内核服务，内核通过切换模式来执行。
安全隔离是目的： 用户态和内核态的区分，确保了用户程序无法直接访问和破坏操作系统或其他程序的内存和资源，从而保证了系统的稳定性和安全性。
简单来说，用户态和内核态就像是给CPU戴上了两种不同的“帽子”。用户态的帽子限制了它的活动范围，而内核态的帽子则赋予了它掌控一切的权力。操作系统就像一个聪明的管理者，知道什么时候给CPU戴哪顶帽子，让它在安全和高效之间取得平衡。
网友意见
保护模式下CS寄存器的低两位决定了当前CPU的特权等级：
这部分虽然是显式的写在CS的值里的，但实际上是隐藏在段寄存器的隐藏部分的。
最开始的时候CS值是引导程序给的，引导程序置上PE位以后，代码还在16位模式下，CPU会给当前的CS寄存器隐藏部分添加一个RPL，这个RPL是0，之后等跳转到保护模式以后，由代码控制自己选择到那个RPL上跑。
如果自己写一个引导程序，到保护模式以后，不加准备直接切到R3级别的CS的话，那么后面的代码就是R3的权限了。
你懂机器码就一定能写出R0的代码吗？不一定。
你的代码是被OS的加载器加载的，加载的过程中，CS的初始值是确定的，如果操作系统没给你R0的权限，你的代码必然要在R3上执行，在保护模式下，R3状态下的指令想通过MOV来改变CS是有可能触发异常的，而OS能决定你的动作是否能触发异常。
所以如果OS把这些路否封死了，你的代码只能老老实实的在R3上执行。
我前面说了，引导程序可以在进入保护模式后直接把自己的代码设置成R3权限，这是没问题的，但如果切保护模式之前，没把该准备的东西准备好，那么你的代码可能就一直在R3模式下跑了，想从R3到R0是没门的。
另外，实模式下操作系统处于R0状态。
根据评论里的补充，前面有一块我说的不太正确，RPL虽然是在CS里，但CS只是个index selector，RPL实际保存的地方是段寄存器的隐藏部分，这部分是不可见也不能直接修改的。
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