Comment le matériel empêche-t-il un programme utilisateur d'obtenir le contrôle total du processeur ?

1. Niveaux de protection/privilège en anneau : La plupart des processeurs modernes utilisent un modèle de protection en anneau. Cela divise les modes d'exécution du processeur en anneaux concentriques, chacun avec des niveaux de privilèges décroissants. L'anneau le plus interne (anneau 0 ou mode noyau) a un accès complet à tout le matériel et toutes les ressources. Les programmes utilisateur s'exécutent généralement dans un anneau supérieur (anneau 3 ou mode utilisateur), sévèrement limité dans ce à quoi ils peuvent accéder ou exécuter directement. Les tentatives d'exécution d'instructions privilégiées (par exemple, accéder directement aux ports d'E/S, manipuler les registres internes du processeur d'une manière qui pourrait compromettre le système) à partir d'un anneau supérieur entraîneront une interruption ou une exception, transférant le contrôle au système d'exploitation (noyau).

2. Unité de gestion de la mémoire (MMU) : La MMU est un composant matériel crucial qui traduit les adresses virtuelles utilisées par les programmes en adresses physiques dans la RAM. Il applique plusieurs mécanismes de protection clés :

* Mémoire virtuelle : Chaque processus dispose de son propre espace d'adressage virtuel, l'isolant des autres processus. Même si un processus présente un bug qui écrase la mémoire, il est peu probable que cela affecte les autres processus, car la MMU traduira ses accès vers son propre espace alloué.

* Segmentation/pagination : Ce sont des méthodes utilisées par la MMU pour diviser la mémoire en segments ou pages. Les autorisations d'accès (lecture, écriture, exécution) peuvent être attribuées individuellement à chaque segment ou page. La MMU vérifie ces autorisations avant d'autoriser l'accès à la mémoire, empêchant par exemple un programme utilisateur d'écrire dans le segment de code du noyau ou de lire des données sensibles dans la mémoire d'un autre processus.

* Traduction d'adresse : La MMU empêche un programme d'accéder directement aux adresses de mémoire physique. Il intercepte tous les accès à la mémoire, les validant par rapport aux listes de contrôle d'accès avant de les autoriser.

3. Interruptions et exceptions : Les interruptions matérielles (par exemple, provenant d'une minuterie, d'un clavier ou d'un adaptateur réseau) et les exceptions logicielles (par exemple, division par zéro, instruction illégale) provoquent un transfert de contrôle vers le noyau du système d'exploitation. Cela empêche un programme utilisateur de monopoliser indéfiniment le processeur et permet au système d'exploitation de gérer les ressources et les événements. Le noyau détermine ensuite l'action appropriée, qui peut inclure la fin du programme incriminé.

4. Minuteurs : Le processeur dispose de minuteries internes qui interrompent périodiquement le programme en cours d'exécution, permettant au système d'exploitation de planifier d'autres processus et d'empêcher l'exécution d'un programme pour toujours. Sans cela, un programme qui se comporte mal pourrait prendre le processeur en otage.

5. Instructions protégées : Certaines instructions sont privilégiées et ne peuvent être exécutées qu'en mode noyau. Toute tentative d'exécution d'une instruction privilégiée à partir du mode utilisateur entraîne une interruption, empêchant tout accès non autorisé aux ressources matérielles et système.

En résumé, une combinaison de fonctionnalités matérielles telles que la protection en anneau, les capacités de gestion de la mémoire de la MMU, la gestion des interruptions, les minuteries et les instructions protégées fonctionnent de concert avec le système d'exploitation pour empêcher un programme utilisateur d'obtenir un contrôle complet du processeur, maintenant ainsi la stabilité et la sécurité du système. Si un composant venait à tomber en panne, les autres offriraient toujours une certaine protection, mais la sécurité globale du système serait réduite.