CPUリングは最も明確な違いです
x86保護モードでは、CPUは常に4つのリングのいずれかにあります。Linuxカーネルは0と3のみを使用します。
これは、カーネル対ユーザーランドの最もハードで高速な定義です。
Linuxがリング1および2を使用しない理由：CPU特権リング：リング1および2が使用されないのはなぜですか？
現在のリングはどのように決定されますか？
現在のリングは、次の組み合わせで選択されます。
グローバル記述子テーブル：GDTエントリのメモリ内テーブル。各エントリにはPrivl、リングをエンコードするフィールドがあります。
LGDT命令は、アドレスを現在の記述子テーブルに設定します。
参照：http : //wiki.osdev.org/Global_Descriptor_Table
セグメントは、GDTのエントリのインデックスを指すCS、DSなどを登録します。
たとえばCS = 0、GDTの最初のエントリが実行中のコードに対して現在アクティブであることを意味します。
各リングは何ができますか？
CPUチップは、次のように物理的に構築されています。
プログラムとオペレーティングシステムはリング間でどのように移行しますか？
CPUがオンになると、リング0で初期プログラムの実行を開始します（まあ、それは良い概算です）。この初期プログラムはカーネルであると考えることができます（ただし、通常は、まだリング0にあるカーネルを呼び出すブートローダーです）。
ユーザランドのプロセスがカーネルは、ファイルへの書き込みのようにそれのために何かをしたいとき、それはそのような割り込み生成指示使用していますint 0x80かsyscallカーネルを知らせるために。x86-64 Linux syscall hello worldの例：
.data
hello_world:
.ascii "hello world\n"
hello_world_len = . - hello_world
.text
.global _start
_start:
/* write */
mov $1, %rax
mov $1, %rdi
mov $hello_world, %rsi
mov $hello_world_len, %rdx
syscall
/* exit */
mov $60, %rax
mov $0, %rdi
syscall
コンパイルして実行：
as -o hello_world.o hello_world.S
ld -o hello_world.out hello_world.o
./hello_world.out
GitHubアップストリーム。
これが発生すると、CPUはカーネルがブート時に登録した割り込みコールバックハンドラーを呼び出します。ハンドラを登録して使用する具体的なベアメタルの例を次に示します。
このハンドラーはリング0で実行され、カーネルがこのアクションを許可するかどうかを決定し、アクションを実行し、リング3でユーザーランドプログラムを再起動します。x86_64
ときにexecシステムコールが使用されている（または場合カーネルが開始されます/init）、カーネルは、レジスタおよびメモリ準備し、新しいユーザーランドプロセスのをそれがエントリポイントにジャンプし、リング3にCPUを切り替えます
（ページングのため）禁止されたレジスタまたはメモリアドレスへの書き込みなど、プログラムがエッチなことを行おうとすると、CPUはリング0のカーネルコールバックハンドラも呼び出します。
しかし、ユーザーランドはいたずらだったので、今回はカーネルがプロセスを強制終了するか、シグナルで警告を出す可能性があります。
カーネルが起動すると、一定の周波数でハードウェアクロックがセットアップされ、定期的に割り込みが生成されます。
このハードウェアクロックは、リング0を実行する割り込みを生成し、ウェイクアップするユーザーランドプロセスをスケジュールできるようにします。
このようにして、プロセスがシステムコールを実行していない場合でも、スケジューリングが行われる可能性があります。
複数のリングを持つことの意味は何ですか？
カーネルとユーザーランドを分離する主な利点は2つあります。
- どちらか一方が他方に干渉しないことが確実になるため、プログラムの作成が簡単になります。たとえば、あるユーザーランドプロセスは、ページングのために別のプログラムのメモリを上書きしたり、別のプロセスに対してハードウェアを無効な状態にすることを心配する必要はありません。
- より安全です。たとえば、ファイルのアクセス許可とメモリの分離により、ハッキングアプリが銀行データを読み取ることができなくなる可能性があります。もちろん、これはあなたがカーネルを信頼していることを前提としています。
それをいじるには？
リングを直接操作するのに適したベアメタルセットアップを作成しました。https：//github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples
残念ながら、ユーザーランドの例を作る忍耐力はありませんでしたが、ページングの設定まで行ったので、ユーザーランドは実現可能です。プルリクエストを見たいです。
または、Linuxカーネルモジュールはリング0で実行されるので、それらを使用して特権操作を試すことができます。たとえば、制御レジスターを読み取ります。プログラムから制御レジスターcr0、cr2、cr3にアクセスする方法は？セグメンテーション違反の取得
ここで便利なQEMU + Buildrootセットアップあなたのホストを殺すことなく、それを試しては。
カーネルモジュールの欠点は、他のkthreadが実行中であり、実験に干渉する可能性があることです。しかし理論的には、カーネルモジュールですべての割り込みハンドラーを引き継ぎ、システムを所有することができます。
負のリング
負のリングは実際にはIntelのマニュアルで参照されていませんが、実際にはリング0自体よりもさらに機能を備えたCPUモードが存在するため、「負のリング」の名前に適しています。
1つの例は、仮想化で使用されるハイパーバイザーモードです。
詳細については、以下を参照してください。
腕
ARMでは、リングは代わりに例外レベルと呼ばれますが、主な考え方は同じです。
ARMv8には4つの例外レベルがあり、一般に次のように使用されます。
EL0：ユーザーランド
EL1：カーネル（ARM用語では「スーパーバイザー」）。
以前は統一されたアセンブリとsvc呼ばれていた命令（SuperVisor Call）を入力します。これは、Linuxシステムコールの作成に使用される命令です。Hello world ARMv8の例：swi
こんにちは。
.text
.global _start
_start:
/* write */
mov x0, 1
ldr x1, =msg
ldr x2, =len
mov x8, 64
svc 0
/* exit */
mov x0, 0
mov x8, 93
svc 0
msg:
.ascii "hello syscall v8\n"
len = . - msg
GitHubアップストリーム。
Ubuntu 16.04のQEMUでテストします。
sudo apt-get install qemu-user gcc-arm-linux-gnueabihf
arm-linux-gnueabihf-as -o hello.o hello.S
arm-linux-gnueabihf-ld -o hello hello.o
qemu-arm hello
以下は、SVCハンドラーを登録してSVC呼び出しを行う具体的なベアメタルの例です。
EL2：ハイパーバイザー（Xenなど）。
hvc命令（HyperVisor Call）で入力されました。
ハイパーバイザーはOSに対するものであり、ユーザーランドにとってOSとは何か。
たとえば、Xenを使用すると、LinuxやWindowsなどの複数のOSを同じシステムで同時に実行でき、Linuxがユーザーランドプログラムと同じように、OSを互いに分離してセキュリティとデバッグを容易にします。
ハイパーバイザーは、今日のクラウドインフラストラクチャの重要な部分です。ハイパーバイザーは、単一のハードウェア上で複数のサーバーを実行できるようにし、ハードウェアの使用率を常に100％に保ち、大幅なコスト削減を実現します。
たとえばAWSは、KVMへの移行が発表される2017年までXenを使用していました。
EL3：さらに別のレベル。TODOの例。
smc指示で入力（セキュアモードコール）
ARMv8アーキテクチャリファレンスモデルDDI 0487C.a -章D1 - AArch64システムレベルプログラマモデル-図D1-1が美しく、これを示しています。
ARMの状況は、ARMv8.1 Virtualization Host Extensions（VHE）の登場により少し変わりました。この拡張機能により、EL2でカーネルを効率的に実行できます。
VHEは、KVMなどのLinuxカーネル内の仮想化ソリューションがXenを上回ったために作成されました（たとえば、上記のAWSのKVMへの移行を参照）。ほとんどのクライアントはLinux VMのみを必要とし、想像できるように、すべてが単一のVMであるからです。プロジェクトでは、KVMはXenよりもシンプルで、潜在的に効率的です。そのため、これらの場合、ホストLinuxカーネルがハイパーバイザーとして機能します。
ARMは、後知恵の恩恵により、特権レベルの命名規則がx86よりも優れていることに注意してください。負のレベルは必要ありません。0は最低、3は最高です。高いレベルは、低いレベルよりも頻繁に作成される傾向があります。
現在のELは、次のMRS命令で照会できます。現在の実行モード/例外レベルは何ですか？
ARMでは、チップ領域を節約する機能を必要としない実装を可能にするために、すべての例外レベルが存在する必要はありません。ARMv8の「例外レベル」は次のように述べています。
実装には、すべての例外レベルが含まれていない場合があります。すべての実装にはEL0とEL1を含める必要があります。EL2とEL3はオプションです。
EL1に例のデフォルトのためのQEMUが、EL2とEL3は、コマンドラインオプションを有効にすることができます：A53パワーアップをエミュレートする際のqemu-システムaarch64入るEL1
Ubuntu 18.10でテストされたコードスニペット。