操作系统内核是如何专门做一些低级别的东西？

Question

根据我的理解，操作系统内核有权执行一些其他程序无法执行的低级操作，例如一些低级别中断或处理多个内核。

是否有某种特殊说明可以启用此功能？

Answer 1

这只是部分答案。

主要权限分离与地址空间有关：当以“管理员模式”运行时，CPU可以访问所有地址空间。 OS内核以此模式运行。用户进程没有。

这就是为什么，例如，32位Linux主机上的用户进程只有3 GB的地址空间可供使用，而理论上可用的地址空间是2 ^ 32 = 4 GB：“搁浅”的千兆字节只能访问由内核，内核将其数据结构映射到这个千兆字节。尝试访问该地址空间的用户进程将看到SIGBUS。这个边界也存在于64位机器上，但非常遥远。

在管理员模式下，正在运行的代码（内核）也可以修改地址空间的布局：例如，它可以表示它可以呈现视频卡的PCI地址空间或DMA地址空间在非监督模式下，您的设备，串行端口等对其他正在运行的代码（进程）完全不可见。

内核可以通过系统调用授予对低级操作（例如磁盘写入）的访问权限。触发系统调用时，内核将以管理员模式代表调用它的进程执行系统调用。系统调用完成或中断后，进程将以自己的权限恢复执行。

当今处理器中所有这些逻辑的一个核心部分是MMU（内存管理单元），因为这是允许地址空间重写的组件 - 这就是为什么你可以拥有超过4 GB RAM的32位机器，如果MMU不可用，这是不可能的事情。

Answer 2

因为OS在启动和h / w初始化时将自己设置为最高权限所有者。操作系统在MMU硬件的帮助下完成此操作。例如，在基于x86的处理器中，有两种h / w提供保护的机制

1. <强>分割：

   分段使您的内存看起来像段，并且您可以为这些段分配从0到3的权限级别（PL），0是最高权限。在启动和启动时初始化h / w你可以分配内核代码段0 PL，一旦它开始执行，用户进程内核就会分配PL 3。如果用户代码尝试跳转到更多特权内核代码，则h / w将生成一般保护（GP）故障（中断＃13），这将执行内核代码，然后它可以选择终止用户进程。类似地，有lidt，lgdt等指令只能在0 PL中执行，如果用户代码尝试执行它们将生成GP错误。分段还解决了以下问题：

   1. 如何表示仅包含可执行代码的内存区域？
   2. 如何表示仅包含数据的内存区域？

2. 寻呼：

   分页将内存划分为大小（4KB / 2MB / 4MB / 1GB）的页面，h / w的分页支持解决了以下问题：

   1. 如果您想说某个页面属于用户或内核，该怎么办？
   2. 如果您想将页面说成只读或只写或同时读写，该怎么办？

   如果用户代码试图违反操作系统设置的任何分页规则，h / w会生成页面错误，执行内核代码（因为操作系统在初始化中断/故障/异常处理程序时设置了这个），这样内核可以决定如何处理用户流程。

   分段和分页都是更多涉及的主题，但这个答案仅在您的问题的上下文中。

Answer 3

理论上：是的，有大量的注入甚至是黑客攻击，你甚至可以使用低级指令集，但实际上这是不可能的，因为有太多的资源会在某个时候锁定某些区域。

使用标准语言和标准库，您很可能无法访问100％的硬件，因为这些设计的方式 - 消除关键和可能危险的决策是使复杂（和强大）框架成为可能的原因。使用OSS操作系统，您可能能够获得完全控制权，但最终您将面临同样的问题：内核操作与您自己的操作交叉，而无需大量修改内核将无法在任何时候获得完全控制。

如果您希望100.0％控制您的硬件，您将被迫编写自己的引导加载程序，内核和操作系统 - 通过Opcode级别的硬件指令，您可以操作几乎所有内容;使用任何编程语言（甚至是ASM）都会限制你。