Como o kernel impede que processos executem instruções arbitrárias de CPU?

A gente sempre ouve falar que o sistema operacional impede que um processo veja a memória do outro ou que o programa fale diretamente com o hardware, mas normalmente não explicam o "como". Eu sempre achei isso meio mágico até que eu resolvi ir atrás da resposta, e é bem interessante. Vou me basear na arquitetura x86, mas é provável que outras arquiteturas sejam parecidas. O problema: a CPU Pra CPU não existe processo, kernel, sistema operacional. Existe só endereços de memória de onde ela lê a próxima instrução e executa. Se a CPU pode falar direto com a RAM, SSD, teclado, mouse, tela... O que me impede de escrever um programa pra ler suas senhas e tokens direto da RAM? Ou de ler arquivos e alterar arquivos sensíveis direto no SSD? Por outro lado, se o kernel fiscalizasse cada instrução que da CPU antes dela executar, isso seria extremamente lento... Outro problema: os interrupts Se a CPU só executasse sequencialmente, seu sistema poderia executar várias coisas e esquecer de checar se uma tecla foi apertada, se o mouse mexeu, etc... Então certos eventos interrompem o que quer que a CPU esteja fazendo para serem tratados assim que possível. Alguns exemplos de interrupt são: Teclas do teclado pressionadas ou soltas Botões e movimento do mouse Timers Operações de disco assíncronas Pacotes de rede recebidos/transmitidos Uma solução: rings Os processadores da arquitetura x86 tem o esquema de rings. Pense em rings como grau de limitação. Ring 0 significa limitação zero, ou seja, acesso a todas as instruções da CPU e consequentemente acesso total ao hardware e memória. O kernel roda em ring 0, ou kernel mode. O kernel assim que é carregado configura todos os interrupts handlers da CPU para executar o handler apropriado do kernel, em kernel mode, claro. Em ring 3 a CPU fica limitada e não pode fazer instruções consideradas privilegiadas. E obviamente em ring 3 a CPU não consegue se colocar em ring 0 sozinha, pois dessa forma qualquer programa conseguiria se pôr em ring 0. O