CPUモード

CPUモード（プロセッサモード、 CPU状態、 CPU特権レベルなどとも呼ばれる）は、ほとんどのコンピュータアーキテクチャの中央処理装置の動作モードであり、CPUによって実行される命令によって実行できる操作の種類と範囲に制限を課します。たとえば、この設計により、オペレーティングシステムとアプリケーションを異なるモードで実行することで、オペレーティングシステムをアプリケーションソフトウェアよりも多くの権限で実行できます。^[1]

理想的には、非常に信頼できるカーネルコードのみが無制限モードで実行を許可され、その他すべて (オペレーティング システムの非監視部分を含む) は制限モードで実行され、システム コール(割り込み経由) を使用して、システムに損傷を与えたり危険にさらしたりする可能性のある操作をカーネルに代わって実行するように要求する必要があります。これにより、信頼できないプログラムが他のプログラム (またはコンピューティング システム自体) を変更したり損傷したりすることが不可能になります。デバイス ドライバーは、頻繁なI/Oアクセスの必要性から、カーネルの一部となるように設計されています。

複数のモードを実装できます。たとえば、ハイパーバイザーがその下で複数のオペレーティング システム スーパーバイザーを実行できるようにすることができます。これは、現在利用可能な多くの仮想マシンシステム の基本設計です。

制限のないモードはカーネルモードと呼ばれることが多いですが、他にも多くの呼称があります（マスターモード、スーパーバイザーモード、特権モードなど）。制限のあるモードは通常ユーザーモードと呼ばれますが、他にも多くの名前で知られています（スレーブモード、 問題状態など）。^[2]

ハイパーバイザー

ハイパーバイザー モードは仮想化をサポートするために使用され、複数のオペレーティング システムの同時操作を可能にします。

カーネルとユーザー

カーネル モードでは、CPU はアーキテクチャで許可されているすべての操作を実行できます。つまり、すべての命令を実行したり、すべての I/O 操作を開始したり、すべてのメモリ領域にアクセスしたりできます。その他の CPU モードでは、CPU 操作に対する特定の制限がハードウェアによって適用されます。通常、特定の命令は許可されません (特に、マシンのグローバル状態を変更する可能性のある命令 (I/O 操作を含む))。一部のメモリ領域にはアクセスできません。CPU のユーザー モード機能は通常、カーネル モードで使用できる機能のサブセットですが、非ネイティブ アーキテクチャのハードウェア エミュレーションなどの場合は、標準カーネル モードで使用できる機能とは大幅に異なる場合があります。

一部の CPU アーキテクチャは、これらより多くのモードをサポートし、多くの場合、権限の階層を備えています。これらのアーキテクチャは、リングベースのセキュリティを備えていると言われることが多く、権限の階層は、カーネル モードを中心にした同心円状のリングのセットに似ています。Multicsハードウェアは、リング セキュリティの最初の重要な実装でしたが、 Intel 80286 保護モードやIA-64など、他の多くのハードウェア プラットフォームも同様の方向で設計されていますが、これらの場合は別の名前で呼ばれています。

モード保護は、CPU ハードウェア自体以外のリソースにも拡張できます。ハードウェア レジスタは CPU の現在の動作モードを追跡しますが、追加の仮想メモリレジスタ、ページ テーブルエントリ、およびその他のデータは、他のリソースのモード識別子を追跡できます。たとえば、CPU 自体のステータス ワードによって示されるように、CPU はリング 0 で動作している可能性がありますが、メモリへのすべてのアクセスは、アクセスの対象となる仮想メモリ セグメントの別のリング番号、および/または対象となる物理ページ (存在する場合) のリング番号に対してさらに検証される場合があります。これは、PSP ハンドヘルド システムで実証されています。

Popek と Goldberg の仮想化要件を満たすハードウェアを使用すると、仮想マシンを効率的にサポートするソフトウェアの作成がはるかに簡単になります。このようなシステムでは、スーパーバイザー モードで実行されていると「信じている」ソフトウェアを実行できますが、実際にはユーザー モードで実行されています。

1960 年代に導入されたIBM System/360、DEC PDP-6 / PDP-10、GE-600 / Honeywell 6000シリーズ、Burroughs B5000シリーズおよびB6500シリーズなどのいくつかのコンピュータ システムは、2 つの CPU モードをサポートしています。1 つはそのモードで実行されているコードに完全な権限を付与するモード、もう 1 つはそのモードで実行されているコードが入出力デバイスやその他のハードウェア機能に直接アクセスできないようにするモードです。最初のモードは、スーパーバイザ状態(System/360)、エグゼクティブ モード(PDP-6/PDP-10)、マスター モード(GE-600 シリーズ)、制御モード(B5000 シリーズ)、制御状態(B6500 シリーズ) などの名前で呼ばれます。2 番目のモードは、問題状態(System/360)、ユーザー モード(PDP-6/PDP-10)、スレーブ モード(GE-600 シリーズ)、通常状態(B6500 シリーズ) などの名前で呼ばれます。 B5000シリーズには複数の非制御モードがあります。

RISC-Vには、ユーザーモード（U）、スーパーバイザーモード（S）、マシンモード（M）の3つの主要なCPUモードがあります。^[3]仮想化は、4番目のモードではなく、直交CSR設定によってサポートされています。