6.4软件中断与系统调用
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特权级与系统调用
x86在硬件层面把代码的运行权限分成4级，编号0到3，通常称为保护环。当前代码所在的环记在段寄存器的CPL（当前特权级）字段中，CPU执行指令和访问内存时都按它检查权限。
| 特权级 | 常称 | 可执行的指令 | 内存访问 | 典型代码 |
|---|---|---|---|---|
| Ring 0 | 内核态 | 包括特权指令在内的全部指令 | 由页表及硬件配置控制 | 内核核心代码：调度、内存管理、驱动 |
| Ring 3 | 用户态 | 只有非特权指令 | 由映射和权限控制 | 浏览器、编辑器、Python解释器 |
| Ring 1、Ring 2 | — | 介于两者之间 | 介于两者之间 | 原本为驱动等中间层预留，主流系统不使用 |
运行在Ring 0的代码处于内核态，运行在Ring 3的代码处于用户态。Ring 1和Ring 2的设计初衷是给设备驱动一类中间层使用，但现代Linux与Windows基本只用Ring 0和Ring 3，把需要特权的操作全部收进内核。
部分需要较高特权级才能执行的指令称为特权指令。修改页表、用cli关中断、用in和out访问I/O端口都属于这一类。用户态执行特权指令不是被忽略，而是由CPU报错，交给内核处理。
应用通常通过系统调用请求内核提供文件、网络等服务。具体接口和进入内核的机制取决于操作系统与体系结构。这种“用户态程序主动请求内核执行特权操作”的机制就是系统调用。内核给每项服务编一个系统调用号，调用方把号和参数放进约定的寄存器，内核据此分发到对应的处理函数。
系统调用是同步事件：它在执行到陷入指令的那一刻发生，与外部设备是否就绪无关。32位x86 Linux用int 0x80陷入，x86-64用syscall陷入。
教材用32位x86 Linux的int 0x80讲这段内容，保护环的划分与知识点一致。读定义时先分清“内核态能做什么”和“用户态被禁了什么”，后面五步流程才有落点。
一次系统调用的流程
以32位x86 Linux的int 0x80为例，寄存器的分工是固定的：
| 寄存器 | 用途 |
|---|---|
EAX | 系统调用号，例如exit为1，write为4 |
EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP | 依次存放最多6个参数 |
EAX（返回时） | 返回值；失败时是负的错误码 |
-
准备参数
应用程序或C库把系统调用号写入
EAX，把参数写入EBX、ECX等寄存器。以write为例，三个参数分别是文件描述符、缓冲区地址和要写入的字节数。 -
触发陷入
执行
int 0x80，产生第128号中断（十六进制0x80等于十进制128）。这个中断在IDT（中断描述符表）中的门允许Ring 3的代码进入，所以用户态可以合法发起。 -
切换特权级并跳转
CPU按IDT找到0x80对应的处理程序，保存用户态的
CS、EIP、EFLAGS和栈指针，把CPL从3改为0，跳转到内核预定义的system_call入口。 -
内核分发并执行
内核按
EAX中的调用号查系统调用表，进入sys_write等具体实现。执行期间内核拥有完整的硬件控制权，可以访问设备寄存器和内核数据结构。 -
返回用户态
内核把返回值或错误码写回
EAX，执行iret恢复之前保存的CS、EIP、EFLAGS和栈，CPL回到3。程序从int 0x80的下一条指令继续执行。
现代指令
int 0x80要走完整的中断门流程：查IDT、检查门权限、保存现场，通常需要更多通用中断门处理步骤。AMD64的syscall和Intel的sysenter通过专门配置的寄存器直接进入内核入口，采用不同的专用入口机制。它们做的仍然是同一件事：用户态按约定放好调用号和参数，一条指令陷入，内核执行，再返回。
x86-64的约定与32位不同：调用号放在RAX，参数依次放在RDI、RSI、RDX、R10、R8、R9，返回值放在RAX，可使用sysret等返回路径，实际返回方式取决于内核实现。
这五步与6.3的中断处理共用“保存现场、恢复现场”的骨架，区别在于入口由程序主动执行指令触发，而不是设备发信号。
学习安排
6.3硬件中断与异常 把外部设备的I/O中断、CPU内部的时钟中断归为异步事件，把除零、缺页和系统调用归为同步的异常。这一节接着“陷阱 / 软中断”这一类往下讲，看用户态程序怎样主动进入内核请求服务；6.5进程 中Running → Blocked的状态转换，很多就是由系统调用触发的。
读的时候抓住一条主线：权限被切成Ring 0与Ring 3，用户态代码通过陷入指令把受限请求交给内核，内核执行完再返回。32位x86 Linux用int 0x80完成这次进入，x86-64使用syscall。
课程约定
- 32位x86使用
EAX、EBX、ECX，x86-64使用RAX、RDI、RSI等；答题时按题目给出的架构选择寄存器名。 0x80是中断向量号，十六进制0x80等于十进制128。iret是从中断处理程序返回用户态的通用指令；syscall的返回可使用sysret等路径，取决于内核实现。- “用户态 → 内核态 → 用户态”称为模式切换，它改变CPU的权限级别；进程上下文切换保存和恢复的是执行现场。
易错点
- 系统调用不是函数调用。C库的
printf、fopen是用户态函数，真正陷入内核的是它们内部调用的write、open。 int 0x80是陷入指令，不是系统调用本身；系统调用是这次陷入所请求的服务。- 用户态执行受限特权指令会触发硬件异常，后续由操作系统处理。判断一条指令是否只能在内核态执行，看它是否修改机器全局状态或直接访问硬件。
- 系统调用进入内核不等于进程切换；调用期间若发生等待，调度器可能切换线程，之后调用线程才恢复。
- 不要把中断都当成系统调用：时钟中断是异步的硬件事件，系统调用是同步的、由指令主动触发的陷入。