CPU模式学习总结

CPU 模式

大部分CPU 至少都有两种CPU 模式。CPU 模式也称为特权级，它会根据CPU 的工作模式限制可以执行的

操作。CPU 模式中，全部指令可以无限制执行的模式称为内核模式（Kernel Mode）或管理者模式

（Supervisor Mode），操作系统等系统软件需要在内核模式下工作。反之，可执行的指令被限制的模式

称为用户模式（User Mode），应用软件通常在用户模式下工作。用户模式中被限制的操作包括CPU 控制

寄存器的访问、改变CPU 状态的指令等。如果应用程序擅自更改CPU 的状态，最坏会导致操作系统崩溃

。因此，需要根据CPU 模式管理各种软件的权限。

大多情况下，CPU 的控制寄存器内都有可以设置CPU 模式的区域。在从高权限的内核模式转换到低权限

的用户模式时，可以通过操作控制寄存器来实现。反之，如果要从低权限的用户模式转换到高权限的内

核模式，需要使用专用的指令。

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CPU三种工作模式

 

 一直以来，都搞不清楚这几个概念。在网上搜了一下，把它晒上，不会再忘记！ 

      从80386开始，cpu有三种工作方式：实模式，保护模式和虚拟8086模式。只有在刚刚启动的时候

是real-mode，等到linux操作系统运行 起来以后就运行在保护模式。实模式只能访问地址在1M以下的内

存称为常规内存，我们把地址在1M 以上的内存称为扩展内存。在保护模式下，全部32条地址线有效，可

寻址高达4G字节的物理地址空间; 扩充的存储器分段管理机制和可选的存储器分页管理机制，不仅为存

储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持; 支持多任务，能够快速地进

行任务切换和保护任务环境; 4个特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据

的安全和保密及任务的隔离; 支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。

      虚拟8086模式是运行在保护模式中的实模式，为了在32位保护模式下执行纯16位程序。它不是一

个真正的CPU模式，还属于保护模式。 

      保护模式同实模式的根本区别是进程内存受保护与否。可寻址空间的区别只是这一原因的果。实

模式将整个物理内存看成分段的区域,程序代码和数据位于不同 区域，系统程序和用户程序没有区别对

待，而且每一个指针都是指向"实在"的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序

区域或其他用户程序 区域，并改变了值，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能

是灾难性的。为了克服这种低劣的内存管理方式，处理器厂商开发出保护模式。这 样，物理内存地址不

能直接被程序访问，程序内部的地址（虚拟地址）要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无

所知。

      至此，进程（这时我们可以称程序 为进程了）有了严格的边界，任何其他进程根本没有办法访问

不属于自己的物理内存区域，甚至在自己的虚拟地址范围内也不是可以任意访问的，因为有一些虚拟区 

域已经被放进一些公共系统运行库。这些区域也不能随便修改，若修改就会有: SIGSEGV（linux 段错误

）;非法内存访问对话框（windows 对话框）。

      CPU启动环境为16位实模式，之后可以切换到保护模式。但从保护模式无法切换回实模式 

      

     事实上，现在的64位奔腾4处理器，拥有三种基本模式和一种扩展模式， 

     基本模式： 

                 保护模式：纯32位保护执行环境。

                 实模式：纯16位无保护执行环境。 

                 系统管理模式：当SMI引脚为有效进入系统管理模式，首先保存当前的CPU上下文。它

有独立的地址空间，用来执行电源管理或系统安全方面的指令。 

     扩展模式：

                 IA-32e模 式: 64位操作系统运行在该模式。该模式有两种子模式: 

                                   1）兼容模式：该模式下，64位操作系统运行在32位兼容环境，

能正常运行16，32位应用程序就像基本的保护模式一样，

                                                        访问32位地址空间，但不能 运行纯16位

实模式程序（就是不能运行虚拟86模式程序了）。 

                                   2）64位模式：在该模式下，处理器完全执行64位指令，使用64

位地址空间和64操作数，运行16，32位程序必须切换到兼容模式。

                 IA-32e子模式的切换完全基于代码段寄存器。这样一来，运行在IA-32e模式中（64位

）的OS完全可以无缝的运行所有16，32，64为应用程序，

                 通过设置32位后的CS。

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