詳解linux核心空間與使用者空間詳解

Linux驅動程式通常在核心空間中運行，但也可以在用戶空間中運行。下面我們將詳細解析核心空間和使用者空間的概念，以及如何判斷它們。

Linux簡化了分段機制，使得虛擬位址與線性位址總是一致，因此，Linux的虛擬位址空間也為0～4G。 Linux核心將這4G位元組的空間分成兩部分。將最高的1G位元組（從虛擬位址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供核心使用，稱為「核心空間」。而將較低的3G位元組（從虛擬位址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱為「用戶空間）。因為每個進程可以透過系統呼叫進入內核，因此，Linux內核由系統內的所有進程共享。於是，從具體進程的角度來看，每個進程可以擁有4G位元組的虛擬空間。

Linux使用兩級保護機制：0級供核心使用，3級供用戶程式使用。從圖中可以看出（這裡無法表示圖），每個行程有各自的私有用戶空間（0～3G）這個空間對系統中的其他流程是不可見的。最高的1GB位元組虛擬核心空間則為所有行程以及核心所共用。

#核心空間中存放的是核心程式碼和數據，而行程的使用者空間中存放的是使用者程式的程式碼和資料。無論是核心空間還是使用者空間，它們都處於虛擬空間。雖然核心空間佔據了每個虛擬空間中的最高1GB字節，但映射到實體記憶體總是從最低位址（0x00000000）開始。對核心空間來說，其位址映射是很簡單的線性映射，0xC0000000就是物理位址與線性位址之間的位移量，在Linux程式碼中就叫做PAGE_OFFSET。

那麼核心空間和使用者空間之間要如何進行通訊呢？一般透過系統呼叫進行通訊。

如何判斷一個驅動是用戶模式驅動還是核心模式驅動？判斷的標準是什麼？

用戶空間模式的驅動一般透過系統呼叫來完成對硬體的訪問，例如將驅動的IO空間映射到用戶空間等。因此，主要的判斷依據就是系統呼叫。另外，用戶態的鍊錶和核心鍊錶不同，用戶態使用printf，內核態使用printk。使用者態每個應用程式空間是虛擬的、相對獨立的，而核心態中則不是獨立的，所以程式設計需要非常小心。當然，用戶態和核心態程式通訊的可以透過ioctl、sysfs、proc等來完成。

核心態與使用者狀態

#當一個任務（進程）執行系統呼叫而陷入核心程式碼中執行時，我們就稱進程處於核心運行態（或簡稱為核心態）。此時處理器處於特權級最高的（0級）核心程式碼中執行。當行程處於核心態時，執行的核心程式碼會使用目前行程的核心堆疊。每個行程都有自己的核心棧。當進程在執行使用者自己的程式碼時，則稱為使用者運行態（使用者態）。即此時處理器在特權等級最低的（3級）使用者程式碼中運作。當正在執行使用者程式而突然被中斷程式中斷時，此時使用者程式也可以像徵性地稱為處於進程的核心態。因為中斷處理程序將使用目前進程的核心堆疊。這與處於核心態的進程的狀態有些類似。

程式上下文與中斷上下文

#處理器總是處於以下狀態中的一種：

1、核心態，運行於行程上下文，核心代表行程運行於核心空間；

2、核心態，運行於中斷上下文，核心代表硬體運行於核心空間；

3、使用者狀態，運行於使用者空間。

用戶空間的應用程序，透過系統調用，進入核心空間。這時候用戶空間的進程要傳遞很多變數、參數的值給內核，內核態運行的時候也要保存用戶行程的一些暫存器值、變數等。所謂的“進程上下文”，可以看作是用戶進程傳遞給內核的這些參數以及內核要保存的那一整套的變數和寄存器值和當時的環境等。

硬體透過觸發訊號，導致核心呼叫中斷處理程序，進入核心空間。這個過程中，硬體的一些變數和參數也要傳遞給內核，內核透過這些參數進行中斷處理。所謂的“中斷上下文”，其實也可以看作就是硬體傳遞過來的這些參數和核心需要保存的一些其他環境（主要是當前被打斷執行的進程環境）。

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