内核态与中断相关理论

虚拟化之Libvirt、Kvm与Qemu

Kvm：kvm是硬件辅助的虚拟化技术，在x86平台上实现了全虚拟化功能，提供了一个基于内核的虚拟机。

Qemu：qemu则提供了一个开源的全虚拟化解决方案，几乎可以模拟任何硬件设备，作为用户空间工具与kvm配合使用（kvm负责cpu和内存虚拟化，qemu则负责IO虚拟化）。

Libvirt：是一种管理平台虚拟化技术的工具，提供了一系列开源的程序接口，其作为中间适配层，屏蔽了底层的hypervisor的细节，为上层管理工具提供了一个统一的、较稳定的接口。

用户态与内核态

以Inter cpu为例，操作的权限分为4级：ring 0-3，0级权限最高，3级权限最低，Linux系统仅采用ring0 和 ring3这2个权限。

• ring0：内核态，具有硬件的所有操作权限，可以执行所有cpu指令集，访问任意地址的内存
• ring3：用户态，没有对硬件的直接控制权限，也不能直接访问地址的内存，通过调用系统接口访问硬件和内存

内核态涉及的主要操作包括：文件IO，网卡IO，内存分配，CPU调度。

32位系统用户进程最大可以访问3GB，内核代码可以访问所有物理内存。

64位系统用户进程最大可以访问超过512GB，内核代码可以访问所有物理内存。

由于内核可使用的内存有限，通过使用高端内存并通过逻辑地址访问所有物理内存。

切换

• 保留用户态现场（上下文、寄存器、用户栈等）
• 复制用户态参数，用户栈切到内核栈，进入内核态
• 额外的检查（内核代码对用户不信任）
• 执行内核态代码
• 复制内核态代码执行结果，回到用户态
• 恢复用户态现场（上下文、寄存器、用户栈等）

切换原因

• 系统调用：用户态进程主动切换到内核态的方式，机制的核心为系统特别开放的软中断，如Linux 的int 80h
• 异常：cpu执行过程中，发生异常后会切换到处理此异常的内核相关进程中
• 中断：外围设备在完成用户请求的操作后，会向cpu发出相应的中断信息，cpu会暂停执行下条指令并转到中断信号对应的处理程序中执行，这里的中断主要是硬中断

硬中断与软中断

硬中断

1. 硬中断是由硬件产生，对CPU的中断
2. 不同硬件基本都有自己的中断请求（IRQ），基于IRQ，CPU可以将请求分发到对应的硬件驱动上（内核中的一个子程序，不是一个独立的进程）
3. 当中断产生的时候，CPU会中断当前正在运行的任务来处理中断，通常一个中断只能中断一个CPU

软中断

1. 软中断由当前正在运行的进程所产生
2. 软中断通常是一些对I/O的请求，这些请求会调用内核中可以调度I/O发生的程序，根据不同的I/O模型，进程或许会被挂起直到I/O完成，此时内核调度器就会选择另一个进程执行
3. 软中断并不会直接中断CPU，这种中断通常是需要内核帮忙做一些事情

差别

1. 硬中断具有随机性和突发性；软中断是固定发生的
2. 硬中断响应周期中，CPU需要发中断回合信号（NMI不需要）；软中断响应周期CPU不需要发
3. 硬中断的中断号是由中断控制器提供；软中断的中断号由指令给出
4. 硬中断是可屏蔽的（NMI不可屏蔽）；软中断不可屏蔽