Day-18 Kernel Mode

13th鐵人賽

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團隊Obit0 Studio

2021-09-30 01:11:58

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Kernel Mode

tags: `IT鐵人`

kernel mode & user mode

為了安全的管理不同的user process，保護他們之間不會互相干擾，我們需要不同的模式來管理，就像是上下層一樣，分為系統的kernel mode以及使用者的user mode。

簡單來說kernel mode負責分配誰能使用哪些資源，現在輪到誰來執行，以及一些重要或是可能危害系統的指令都會交給kernel mode處理。

mode	差別
kernel mode	又叫System/Privileged/Supervisor mode，代表kernel取得對系統的控制權。(即kernel取得CPU在執行一些system process)在此mode下，可以執行特權指令(Privileged Instruction)。
user mode	代表user process取得CPU在執行之mode，在此mode下，不允許執行特權指令。

此外，Dual mode之實現需要硬體額外支援。例如提供一個mode bit決定現在是哪一種mode。

Privileged Instruction

任何可能造成系統重大危害的指令都可以稱為Privileged Instruction。只能在kernel mode下執行，不允許在user mode下執行。

一般而言，下列這些指令是Privileged Instruction：

I/O instruction(I/O protection)
Base/limit register值修改(Memory protection)
Time值修改(CPU protection)
Turn off interrupt
Switch mode to kernel mode
Clear Memory

如果沒有區分Privileged Instruction的話，User process可能可以隨意修改Memory的值，造成程式危害；讓自己可以永遠占用CPU；隨意寫入檔案；不接受任何原先預計要對該process產生影響的interrupt。

Protection

以下會介紹前面提到的各種protection，並敘述該protection的過程：

I/O Protection

為了防止user process執行I/O指令操控I/O Devices，降低出錯機率及使用複雜度。

將I/O設為Privileged Instruction。

步驟	內容
1	User process發出system call通知需要執行I/O Instruction。
2	OS trap進入kernel mode。
3	I/O subsystem執行I/O指令。
4	I/O結果回傳給I/O subsystem。
5	I/O subsystem回傳給user process並切換回user mode。

Memory Protection

為了防止user process任意存取其他process及kernel所在的記憶體區域。

假設Memory管理採用Contiguous Allocation的方法，則利用Base register及Limit register管理process能使用的記憶體區間。

步驟	內容
1	存取Memory時，將位址傳給OS trap進入的kernel mode。
2	計算位址是否大於等於Base且小於Base+Limit。
3	如果結果為true則回傳legal同意存取；反之則回傳illegal不同意存取。

CPU Protection

為了防止user process長期/無限期占用CPU而不釋放。

利用Timer，OS會規定一個process使用CPU之MAX-Time-Quantum，當process取得CPU後，Time值則設為Max-Time-Quantum，隨著process使用CPU的時間增加，Timer值會逐步遞減，當Time值=0時，Timer會發出"Time-Out" Interrupt通知OS，OS會強迫此process放掉CPU。