作为中央核心处理器的CPU，除了生产过程的不断创新和进步外，还需要平衡数据处理和响应速度。有一点微机原理基础的人都知道，IntelX86系统的CPU提供了四种权限模式ring0~ring3，其中ring0的权限为***，ring3的权限为***。做这样区分的主要目的是为了保护资源，一般来说，要保护的资源无非就是“内存、I/O端口、执行特殊机器指令的能力”。在任何时刻，x86CPU都在某种特权模式下运行。同样，ARM系统的CPU有七种运行模式，分别是：用户模式（usr）、快速中断模式（fiq）、中断模式（irq）、管理模式（svc）、系统模式（sys）、数据访问终止模式（abt）和未定义指令终止模式（und）。除用户模式外，其余6种工作模式均为特权模式，而在特权模式下，除系统模式外，其余5种模式也称为异常模式。那么底层硬件CPU的这个特性和我们要讨论的用户态和内核态有什么关系呢？让我们追根溯源，纠正我们对操作系统的认识。每个讲授操作系统课程的老师都会告诉大家：所谓操作系统就是统一管理硬件资源，为用户提供业务接口的软件系统。通俗地说，【操作系统就是要能够管理你的CPU和内存，驱动你的硬盘，管理你的网卡和显示器，然后在你点击鼠标和敲击键盘时做出正确的反应。]很简单。那么问题来了，以CPU为例，如果你是操作系统设计者，你会如何处理不同CPU架构（如Intel、ARM，或者AMD、MIPS等）的差异？当然，这个问题不适合普通人。如果能hold住，CU论坛开发都江堰操作系统的前辈确实值得我们敬佩和敬仰。继续我们的话题，也就是说，不同的操作系统在处理CPU架构的差异上是不一样的。有的操作系??统提供了用户态和内核态的机制（比如linux），而有的操作系??统呢，没有用户态和内核态的区分（比如vxWorks）。后者不在我们的讨论范围之内。有兴趣的童鞋可以自行谷歌。以Linux系统和Intelx86CPU为例，Linux使用ring0模式运行内核态代码，ring3运行用户态代码，ring1和ring2不使用。32是操作系统的可寻址范围是0~4GB，所以Linux系统将其分为用户空间和内核空间两部分：用户空间占用低3GB空间，范围为虚拟地址的0x00000000到0xBFFFFFFFF，以及内核空间占用高1GB的空间是保留的，虚拟地址范围是0xC0000000到0xFFFFFFFF。内核空间存放了整个内核代码和所有内核模块，以及内核维护的数据。当用户运行程序时，程序创建的进程最初运行在用户空间。当它需要执行网络发送数据等动作时，必须通过调用write、send等系统函数来完成。这些系统调用会去调用内核中的代码来完成用户的请求操作。这时CPU必须从ring3切换到ring0，然后进入内核地址空间执行这些代码，完成运算。完成后切换回ring3，回到用户态。因此，我们可以看到提供了用户态和内核态操作系统，用户态程序不能随意操作内核地址空间中的数据，具有一定的安全保护作用；同时，它的实时性稍差。牺牲了。也就是说，只要内核代码没有问题，用户空间程序的错误和bug一般不会导致系统崩溃，从而提高了系统的健壮性。从这一点来看，内核确实更“拉”一些，Linux也提供了一些用户空间和内核空间的通信机制，让我们可以开发出更高效的程序。但是我们一定要记住，内核中的一个小错误就会导致整个系统崩溃，所以我们在开发内核程序的时候一定要非常小心。
