CPU 学习笔记：特权资源与中断（x86 架构为主，2026 视角）
这是现代操作系统依赖的两大核心机制：特权级别（Privilege Levels） 和 中断（Interrupts）。它们共同实现了“用户程序不能为所欲为”和“操作系统能及时响应外部事件”的基础。
1. 特权资源与特权级别（Privilege Levels / Rings）
x86/x86-64 架构将 CPU 运行权限分为 4 个环（Ring），目前实际只大量使用 Ring 0 和 Ring 3。
| Ring | 名称 | 典型运行代码 | 能执行的指令类型 | 能访问的资源 | 当前特权级别（CPL） |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 内核模式 | 操作系统内核、驱动 | 所有指令（包括特权指令） | 所有内存、所有 I/O 端口、所有 MSR、控制寄存器 | CPL=0 |
| 1 | （驱动层） | 极少数老系统驱动 | 大部分特权指令 | 受限访问 | CPL=1 |
| 2 | （驱动层） | 几乎不用 | 大部分特权指令 | 受限访问 | CPL=2 |
| 3 | 用户模式 | 普通应用程序 | 非特权指令 | 只能访问用户态内存、受限 I/O | CPL=3 |
关键概念：CPL（Current Privilege Level）
- 保存在 CS 寄存器的低 2 位（x86-64 仍然如此）
- CPL=0 → 内核态，CPL=3 → 用户态
- 数值越小，权限越高（0 > 3）
特权指令（Privileged Instructions）
只能在 CPL=0（Ring 0）执行，否则触发 General Protection Fault (#GP) 异常。
常见特权指令分类（高频考点）：
| 类别 | 典型指令 | 作用 | 只能 Ring 0 执行？ |
|---|---|---|---|
| 控制寄存器访问 | MOV to/from CR0/CR3/CR4/CR8 | 开启/关闭分页、写保护、PAE 等 | 是 |
| MSR 访问 | RDMSR / WRMSR | 读写 Model-Specific Registers（如 TSC、APIC） | 是 |
| 段表加载 | LGDT / LIDT / LLDT / LTR | 加载 GDT、IDT、LDT、TSS | 是 |
| I/O 操作 | IN / OUT / INS / OUTS | 直接访问硬件端口 | 是 |
| 中断标志 | CLI / STI | 关/开中断（IF 标志） | 是（部分架构限制） |
| 停机/等待 | HLT | 处理器暂停直到中断 | 是 |
| 模式切换相关 | MOV to/from CR0（PE 位） | 进入/退出保护模式 | 是 |
| 虚拟化相关 | VMXON / VMXOFF / VMLAUNCH 等 | Intel VT-x 虚拟化指令 | 是 |
用户态想做特权事 → 只能通过系统调用（syscall / int 0x80 / sysenter）
- 触发软中断 / 快速系统调用指令
- CPU 自动切换到 Ring 0 + 内核栈
- 执行完再用 iret / sysret 返回 Ring 3
2. 中断（Interrupts）与异常（Exceptions）
中断：CPU 暂停当前指令，转而执行特定处理程序的异步/同步事件。
| 类型 | 来源 | 是否可屏蔽 | 典型例子 | 是否保存现场（自动） |
|---|---|---|---|---|
| 异常（Fault/Abort/Trap） | CPU 内部 | 不可屏蔽 | #DE 除零、#PF 缺页、#GP 特权违规 | 大部分是 |
| 硬件中断（External Interrupt） | 外部设备（经中断控制器） | 可屏蔽（IF 标志） | 键盘、定时器、网卡、磁盘完成 | 是 |
| 软中断（Software Interrupt） | 执行 INT n 指令 | 可屏蔽 | 系统调用（旧 int 0x80）、调试断点 | 是 |
x86-64 中断处理流程（简化版）
- 发生中断 / 异常 → CPU 自动保存部分现场（SS、RSP、RFLAGS、CS、RIP）到栈上（如果特权级变化则切换栈）
- 根据中断向量号（0~255）查 IDT（Interrupt Descriptor Table）
- IDT 每项是一个 门描述符（Gate Descriptor），常见三种：
- Interrupt Gate（中断门）：进入时自动 cli（关中断）
- Trap Gate（陷阱门）：进入时不关中断（系统调用常用）
- Task Gate（任务门）：基本废弃
- 跳转到门描述符指向的 中断处理程序（ISR – Interrupt Service Routine）
- ISR 执行完 → iret（中断返回指令）恢复现场 + 返回原特权级
IDT 关键寄存器
- IDTR：指向 IDT 的基地址 + 限长（用 LIDT 加载）
- 每个表项 16 字节（64 位模式）
中断向量号常见分配（部分）
| 向量 | 类型 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 异常 | #DE Divide Error | 除零 |
| 13 | 异常 | #GP General Protection | 特权违规、非法指令等（最常见崩溃原因） |
| 14 | 异常 | #PF Page Fault | 缺页、权限不够 |
| 32~47 | 硬件中断 | IRQ0~IRQ15 | 传统 PIC 映射（现代用 APIC） |
| 0x80 | 软中断 | 旧 Linux 系统调用 | 已基本被 syscall 取代 |
3. 特权级与中断的交互关系（最核心）
- 用户态（Ring 3）执行特权指令 → #GP → 进入内核（Ring 0）处理 → 通常 kill 进程
- 硬件中断到来 → 不管当前是 Ring 0 还是 Ring 3，都切换到 Ring 0（由 IDT 门描述符的 DPL 决定，但内核一般设为 0）
- 系统调用（syscall / sysenter / int 0x80） → 故意从 Ring 3 → Ring 0
- 中断嵌套 → 现代内核一般在中断上下文禁用抢占，但允许更高优先级中断打断（NMI 不可屏蔽）
- 从 Ring 0 返回 Ring 3 → 只能用 iretq / sysret，不能用普通 ret（特权检查）
4. 现代关键变化（x86-64 + 2025–2026 视角）
- syscall / sysret 取代 int 0x80（更快，无需 IDT 查表）
- APIC 取代老 PIC（支持更多中断源、每个 CPU 独立）
- NMI（不可屏蔽中断）用于 watchdog、硬件错误
- Machine Check Exception (#MC) 用于 CPU 硬件错误报告
- KPTI / Meltdown 补丁 → 内核页表与用户页表隔离
- KVM / Intel VT-x → VM-exit / VM-entry 也算一种“特权中断”
一句话总结：
特权资源 靠 Ring 0 vs Ring 3 保护
中断 是 CPU 从“正在干活” → “紧急处理其他事”的快速通道
操作系统靠中断 + 特权级 + 页表保护 实现了多任务安全共存
需要更深入的部分（例如：IDT 具体结构图、syscall vs int 0x80 性能对比、Linux 中断上下文 vs 进程上下文、APIC 配置、异常栈切换等），可以直接告诉我～
