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    • 内核Kernel
    • 特权级
    • 授权
  • 主要内容：本节课主要探讨了Linux内核，老师从逻辑推理的角度带大家体会什么是内核，为什么需要内核。

授权

观点：未经授权，不得访问其他用户的资源

访问自己的资源，总是授权的。

探讨

问题：未经许可，用户是否能访问外设（IO）中自己的资源？

  • 答案：不可以。
  • 原因：IO物理端口只有一个，而用户程序具有不确定性（可能会做一些坏事），如果开放端口，可能会无法控制。
  • 解决办法：若用户非要访问（IO指令/MMIO），则用特权级拦住。
    • 特权级：CPU剥夺了应用程序访问外设的能力。

问题：而自己的资源，应该要能访问的，那怎么办？

  • 因为：用户进程是不确定的，并且它应该是不确定的，没有理由要求它确定。
  • 由一组确定的程序来访问自己的资源————即内核。

特权级

特权级的概念

在linux系统中特权级别分为0，1，2，3一共四个级别，0最大 ，3最小。

  • 一般内核代码运行在0特权级；
  • 驱动、虚拟机等运行在1，2特权级；
  • 而我们自己写的程序一般运行在3特权级，也就是最低级别。

探讨

用户程序指令（3特权）为什么不能访问0特权的数据？

答：因为用户程序指令具有不确定性。

0特权能否直接跳到3特权？

答：不允许，若此时0特权跳转过去后仍保持全态，那么应用程序就会直接变为kernel。

接续访问机制

接续访问机制：用户发起 -> 内核接续（IO行为） -> 交付用户

观点：内核的工作，是用户进程访问行为的延续

观点：内核需要结构化，提供一组自洽的、一致的syscall

提问：既然未经授权，不得访问其他用户的资源。那所谓授权，又是给谁的？

思考：

  • 给用户？同一个用户，有可能可以读A文件，而B文件不行；
  • 给资源？同一份资源，有可能用户1可以读，而用户2不行。

答：给"访问"：一般是三元组（用户，操作，资源）。即一次授权对应一次访问

提问：从用户发起到内核接续，也即不确定行为到确定行为，如何实现？

答：1. 反转状态；2. 要求转移指令确定的落点：（1）限制用户进程的跳转指令；（2）限制用户进程的跳转落点.

补充：以RISC-V为例，（1）只能是ecall指令；（2）只能是mtvec，中断向量基址，该值由OS内核指定。

观点：接续访问机制的重要保障：用户态和内核态之间有面"墙"

墙是由某些硬件机制创建的。

以RISCV为例：CSR寄存器组和CSR指令（CSR：Control and Status Registers）。

提问：既然内核可以用某些硬件机制建墙，那用户岂不是也可以用它来拆墙？

通俗版解答

  • 机器上电，操作系统先来，先建好墙，完事了把拆墙工具收到墙内。
  • 用户想要拆墙，就要先进到墙内；
  • 想要进到墙内，就要先拆墙。

以RISCV为例：
想要从U模式变到M模式，就必须使用CSR指令修改CSR寄存器组；
想要使用CSR指令修改CSR寄存器组，就必须已经处于M模式，否则机器报异常。

学术版解答

  • 用时间的不可逆性来建构空间的各项异性；
  • 互为必要条件。