Trap
و ورود از User Mode به Kernel Mode

تا اینجا فهمیدیم برنامه ها توی User Mode اجرا میشن و وقتی بخوان از سیستم عامل یه کار حساس بخوان از System Call استفاده میکنن
ولی یه سوال مهم داریم

CPU
دقیقا چطوری از اجرای عادی برنامه توی User Mode میره داخل Kernel Mode
اینجا مفهوم Trap وارد ماجرا میشه


Trap
یعنی یه انتقال کنترل شده از اجرای عادی برنامه به Kernel یعنی برنامه داره توی User Mode اجرا میشه
User Mode
│
│ درخواست سرویس
▼
Trap
│
▼
Kernel Mode

بعد از اینکه Kernel کارش رو انجام داد کنترل دوباره به برنامه برمیگرده

System Call و Trap
چه فرقی دارن
این دوتا یکی نیستن

System Call
در واقع درخواست برنامه از سیستم عامله
مثلا برنامه میگه من میخوام از فایل بخونم
یا چیزی بنویسم
یا حافظه بگیرم

مثل:

read()
write()
mmap()

اما Trap مکانیزمیه که باعث میشه CPU کنترل اجرا رو به Kernel منتقل کنه

پس خیلی ساده
Program
│
│ System Call
▼
Trap / System call entry
│
▼
Kernel

یعنی System Call میگه چه سرویسی میخوام

Trap
یا مسیر ورود باعث میشه اجرای برنامه وارد Kernel بشه

مثال x86 64:

توی Linux روی معماری x86 64 معمولا System Call با دستور
syscall
انجام میشه
قبل از اجرای این دستور برنامه اطلاعات لازم رو داخل Register های مشخص قرار میده

مفهوم:

Registers
│
├── شماره System Call

├── Argument 1
├── Argument 2
└──
│
▼
syscall
│
▼
Kernel

Kernel
وقتی وارد میشه شماره System Call رو بررسی میکنه تا بفهمه برنامه دقیقا چه درخواستی داشته
مثلا برنامه ممکنه درخواست خوندن اطلاعات از یه فایل رو داشته باشه
پس Kernel باید بفهمه این درخواست مربوط به کدوم System Call هست

Kernel
از کجا میفهمه چه System Call ای درخواست شده
اینجا یکی از چیزهای مهم System Call Number هست
هر System Call توی Linux یه شماره مشخص داره
البته این شماره ها به معماری و ABI وابسته هستن
یعنی نباید فکر کنیم شماره یه System Call روی همه سیستم ها یکیه

به صورت مفهومی:

System Call Number
+
Arguments
│
▼
syscall
│
▼
Kernel

Kernel
با استفاده از این اطلاعات مسیر مربوط به اون درخواست رو پیدا میکنه

Kernel
هنگام ورود چه کار میکنه
وقتی CPU وارد Kernel میشه Kernel باید درخواست برنامه رو بررسی کنه

به صورت ساده
User Code
│
▼
syscall
│
▼
Kernel Entry
│
▼
بررسی درخواست
│
▼
اجرای عملیات
│
▼
Return Value
│
▼
User Mode

Kernel
ممکنه چیزهایی مثل مجوز دسترسی و معتبر بودن بعضی اطلاعات رو بررسی کنه
مثلاً برنامه User Space نباید بتونه هر آدرس حافظه ای که دلش خواست رو بدون کنترل دستکاری کنه
سیستم عامل اینجا نقش یک مراقب رو بازی میکنه چون اگر هر برنامه ای میتونست هر کاری با منابع سیستم بکنه عملا سیستم عامل تبدیل میشد به چیزی که کاربردی نداره

Trap
فقط برای System Call نیست
اینجا یه نکته مهم داریم
وقتی میگیم Trap نباید فکر کنیم فقط برای System Call استفاده میشه
در سیستم عامل و معماری CPU انتقال کنترل به Kernel میتونه به دلایل مختلف اتفاق بیفته

مثلا:

System Call
Exception

بعضی رویدادهای سخت افزاری از مسیر Interrupt البته این مفاهیم دقیقا یکی نیستن و باید جدا از هم بررسی بشن

Exception چیه

Exception
وقتی اتفاق میفته که CPU موقع اجرای یه دستور با یه شرایط خاص روبرو بشه

مثلا:

برنامه
│
▼
اجرای دستور
│
▼
شرایط خاص
│
▼
Exception
│
▼
Kernel Handler
یکی از مثال های معروفش
Page Fault

فرض کنید برنامه به یه صفحه حافظه دسترسی پیدا کنه ولی اون صفحه در اون لحظه شرایط لازم برای دسترسی رو نداشته باشه
CPU
یه Page Fault ایجاد میکنه
بعد Kernel وارد ماجرا میشه و بررسی میکنه باید چه کاری انجام بشه

یه نکته مهم:

Page Fault
لزوما به معنی Crash نیست
ممکنه سیستم عامل بتونه اون رو کاملا عادی مدیریت کنه

مثلا صفحه موردنظر رو آماده کنه و برنامه دوباره ادامه بده

Interrupt
معمولا از طرف سخت افزار یا کنترل کننده سخت افزار ایجاد میشه مثلا یه دستگاه میخواد CPU رو از یه اتفاق باخبر کنه

به صورت ساده:

Hardware
│
▼
Interrupt
│
▼
CPU
│
▼
Kernel
مثلا یه عملیات I O تموم شده
سخت افزار میتونه با Interrupt به CPU خبر بده که عملیات تموم شده
بعد Kernel میتونه این اتفاق رو مدیریت کنه

تفاوت این سه مفهوم:

System Call
درخواست برنامه برای گرفتن یه سرویس از سیستم عامل

Exception
اتفاقی که در نتیجه اجرای دستور یا شرایط مربوط به CPU رخ میده