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