特权指令、陷阱和系统调用之间的关系

Question

我试图理解虚拟机监视器（VMM）如何虚拟化CPU。

我现在的理解是，当CPU处于用户模式时，特权指令即将执行时，CPU会发出保护故障中断。在像C这样的高级语言中，特权指令被包装在系统调用中。例如，当应用程序需要当前日期和时间（与I/O设备交互的指令具有特权）时，它会调用某个库函数。此库函数的汇编版本包含一条名为“int”的指令，该指令会导致CPU中出现陷阱。CPU从用户模式切换到特权模式，并跳转到操作系统提供的陷阱处理程序。每个系统调用都有自己的陷阱处理程序。在本例中，陷阱处理程序从硬件时钟读取日期和时间并返回，然后CPU将自己从特权模式切换到用户模式。（来源：http://elvis.rowan.edu/~hartley/Courses/OperatingSystems/Handouts/030Syscalls.html）

然而，我不太确定这种理解是否正确。本文提到（特权）x86 popf指令不会导致陷阱的概念，从而使VMM的工作变得复杂：http://www.csd.uwo.ca/courses/CS843a/papers/intro-vm.pdf. 据我所知，当用户程序显式调用而不是通过系统调用时，popf指令不应导致陷阱，而应导致保护故障中断。

因此，我的两个具体问题是：

• 当用户程序在CPU处于用户模式时执行特权指令时会发生什么？
• 当用户程序执行系统调用时会发生什么？

Answer 1

我不是计算机架构方面的专家。但我有几个意见供你考虑：

• CPU有两种指令
  • 常规说明，如添加、子项等。
  • 特权指令，如启动I/O、从受保护内存加载/存储等
  • 用户模式：处理器执行用户程序中的正常指令

Answer 2

无特定顺序：

你的困惑主要是因为操作系统社区没有标准化的词汇。这里有一些术语，它们有时意味着同样的事情，有时不是：异常、故障、中断、系统调用和陷阱。任何单个作者通常会一致使用这些术语，但不同的作者对它们的定义不同。

有3种不同类型的事件导致进入特权模式。

1. 异步中断（例如，由需要服务的输入/输出设备引起）
2. 一个系统调用指令（x86上的int）。（更一般地说，在x86手册中，这些被称为陷阱，并包括一些其他指令（主要用于调试器）。）
3. 执行异常操作的指令（非法指令、保护错误、除以0、页面错误、...）。（不同的作者称这些为异常、错误或陷阱。x86手册称这些为错误。）

每个中断、陷阱或故障都有不同的编号。

在所有情况下：

1. 处理器进入特权模式。
2. 用户模式寄存器保存在某处。
3. 处理器找到中断向量表的基地址，并使用中断/陷阱/故障号作为表中的偏移量。这为该中断/陷阱/故障提供了一个指向服务例程的指针。
4. 处理器跳转到服务例程。现在我们处于保护模式，用户级状态都保存在我们可以找到的地方，我们在操作系统中的代码是正确的。
5. 当服务例程完成时，它调用一个中断返回指令（ireton x86.）（这是x86上故障和陷阱之间的微妙区别：故障返回到导致故障的指令，陷阱返回到陷阱后的指令。）

请注意令人困惑的名称“中断向量表”。尽管它被称为中断表，但它也用于故障和陷阱。（这导致一些作者将一切都称为中断。）

popf问题相当微妙。这本质上是x86体系结构中的一个缺陷。当popf从用户模式执行时，它不会导致陷阱或故障（或异常、中断或任何您想调用它的东西）。它只是充当noop。

这有关系吗？嗯，对于一个普通的操作系统来说，这并不重要。另一方面，如果您正在实施虚拟机监视器（如VMWare、Xen或Hyper-V），则VMM正在保护模式下运行，并且您希望在用户模式下运行来宾操作系统，并高效地模拟任何保护模式代码。当来宾操作系统使用popf指令时，您希望它生成一般保护故障，但它不会。（如果从用户模式调用，则cli和sti指令会生成一般保护故障，这正是您想要的。）