CPU Switches from User mode to Kernel Mode : What exactly does it do? How does it makes this transition?

在计算机系统中，CPU（中央处理单元）的运行模式可以分为用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）。用户模式是普通程序运行时的模式，而内核模式则是操作系统核心组件运行时的模式。切换到内核模式主要是为了执行一些需要较高权限的操作，如管理硬件设备、内存管理等。

切换过程的原理和步骤：

1. 触发事件： 切换通常由以下几种事件触发：

   • 系统调用（System Call）：当应用程序请求操作系统提供服务时，如文件操作、进程控制等。
   • 中断（Interrupt）：来自硬件的信号，如键盘输入、网络数据到达等。
   • 异常（Exception）：程序执行错误时，如除零错误、访问无效内存等。

2. 保存状态： 在从用户模式切换到内核模式之前，CPU需要保存当前环境的状态，以便在完成内核任务后能够恢复到用户模式继续执行。这包括程序计数器、寄存器状态等。

3. 改变权限等级： CPU将权限等级从用户级（通常是最低权限等级）提升到内核级（通常是最高权限等级）。这通常涉及改变硬件中的某些控制寄存器，例如x86体系结构中的CS（代码段寄存器）的特权级别。

4. 跳转到处理程序： CPU跳转到预设的内核入口点，执行对应的内核代码。例如，在系统调用中，会跳转到特定的系统调用处理函数；在中断发生时，会转到相应的中断处理程序。

5. 执行内核模式操作： 在内核模式下，CPU可以执行各种管理和控制任务，如内存管理、进程调度等。

6. 恢复用户模式： 完成操作后，系统将状态恢复到切换前，降低权限等级，并将控制权返回给用户程序。

示例：

假设一个简单的操作系统环境，应用程序需要读取文件内容。这一过程大致如下：

• 应用程序通过系统调用请求读文件。
• CPU捕获这个调用并切换到内核模式。
• 内核检查调用参数，执行文件读取操作。
• 文件读取完毕后，内核将结果返回给应用程序。
• CPU将控制权和模式切换回用户模式，应用程序继续执行。

这一过程确保了操作系统的稳定性和安全性，使得用户程序不能直接执行某些可能危害系统安全的操作。通过模式切换，操作系统能有效控制资源的访问和使用，保护系统资源不被滥用。