Linux内核：保护模式初级

保护模式初级

前言

本章为之前学习《操作系统真象还原》一书所做的笔记

内容为第四章、第五章的保护模式

全局描述符表

全局描述符表（ Global Descriptor Table, GDT ）是保护模式下内存段的登记表，这是不同于实模式的显著特征之一

段描述符

首先，对于 IA32 架构的处理器（就是我们大多数人现在所用的处理器），访问内存采用“段基址：段内偏移地址”形式，即使到了保护模式，也是绕不开这个限制的

同时，为了保证内存访问的安全问题，保护模式应运而生

在之前的16位模式下，内存访问的上限收到了寄存器的限制，为此人们甚至需要将16位寄存器左移4位来扩大寻址空间，由此，通过内存寻址的想法就有了，因为其不受寄存器大小限制，而且还可以为段添加上更多的描述信息

段描述符如下：

段描述符的大小为8字节64位

• 段界限
  • 段界限表示段边界的扩展最值，以限制内存访问的范围
  • 在代码段和数据段，段的扩展方向是向上，在栈段，扩展方向为向下
  • 可以看到段界限由20个比特位共同描述，而最终段的边界为段界限值 * 单位，单位要么为1字节，要么为4kb(2^12次方字节)，所以段大小要么为2^20=1MB大小，要么为2^20 * 2^ 32=4GB大小
  • 单位大小由G位决定，G为0则大小为1byte，G位为0则大小为4kb
  • 访问若超出段的边界，CPU就会抛出异常
• 段基址
  • 16-31位存储段基址的0-15位，高32位中，0-7位存储段基址的16-23，24-31存储段基址的24-31
• S位
  • S位用于描述是系统段还是数据段，在 CPU 眼里，凡是硬件运行需要用到的东西都可称之为系统，凡是软件（操作系统也属于软件， CPU 眼中，它与用户程序无区别）需要的东西都称为数据，无论是代码，还是数据，它们都作为硬件的输入，都是给硬件的数据而己，所以代码段在段描述符中也属于数据段（非系统段）
  • S位为0，系统段，S位为1，数据段（非系统段）
  • S位需要和type字段配合使用
• type字段
  • type字段共4位，用于表示内存段或门的子类型
  • type字段说明如下图所示：
    
  • 主要关注非系统段
  • A位表示Accessed位，这是由CPU来设置的，每当该段被CPU访问过后，CPU就将此位置1，所以，创建个新段描述符时，应该将此位置0
  • C表示一致性代码段，也称为依从代码段， Conforming。一致性代码段是指如果自己是转移的目标段，并且自己是一致性代码段，自己的特权级一定要高于当前特权级，转移后的特权级不与自己的 DPL 为主，而是与转移前的低特权级一致，也就是昕从、依从转移前的低特权级。 C为1时则表示该段是一致性代码段， C为0时则表示该段为非一致性代码段
  • R表示可读，R为1表示可读，R为0表示不可读。这个属性一般用来限制代码段的访问
  • X表示该段是否可执行，EXecutable。X为1表示代码段可执行，X为0表示代码段不可执行
  • E是用来标识段的扩展方向，Extend。E为0表示向上扩展，通常用于代码段和数据段。E为1表示向下扩展，地址越来越低，通常用于栈段
  • W是指段是否可写， Writable。W 为1表示可写，通常用于数据段。W为0表示不可写入，通常用于代码段
• DPL
  • 段描述符的第 13-14 位是 DPL 字段， Descriptor Privilege Level ，即描述符特权级，指描述符所代表的内存段的特权级
  • 2个比特能表示四个特权级，即0，1，2，3，数字越小特权级越大。操作系统处于最高的0，用户程序处于3，某些指令只能在0特权级下执行，从而保证了安全
• P字段
  • 段描述符的第 15 位是P字段，Present，即段是否存在，1为存在，0为不存在
• AVL字段
  • 占一位，表示Available，可用的
• D/B字段
  • 段描述符的第 22 位是 D/B 字段，用来指示有效地址（段内偏移地址）及操作数的大小
  • 对于代码段来说，此位是D位，若D为0，表示指令中的有效地址和操作数是 16 位，指令有效地址用IP寄存器。若D为1，表示指令中的有效地址及操作数是 32 位，指令有效地址用 EIP 寄存器
  • 对于栈段来说，此位是B位，用来指定操作数大小，此操作数涉及到栈指针寄存器的选择及栈的地址上限。若B为0，使用的是 sp 寄存器，也就是栈的起始地址是 16 位寄存器的最大寻址范围， 0xFFFF。若B为1，使用的是 esp 寄存器，也就是栈的起始地址是 32 位寄存器的最大寻址范围， 0xFFFFFFFF
• G字段
  • 段描述符的第 23 位是G字段， Granularity ，粒度，用来指定段界限的单位大小

全局描述符表GDT、局部描述符表LDT及选择子

全局描述符表 GDT 相当于是描述符的数组，数组中的每个元素都是8宇节的描述符。可以用选择子中提供的下标在 GDT 中索引描述符

全局描述符表位于内存中，有专门的GDTR寄存器指向其地址，GDTR是个48位的寄存器，如图所示

由专门的指令lgdt来修改GDTR寄存器

lgdt指令在实模式和保护模式下都可执行，在保护模式下重新换个 GDT 的原因是实模式下只能访问低端 1MB 空间，所以 GDT 只能位于 1MB 之内

lgdt 的指令格式是： lgdt48 位内存数据

48 位内存数据划分为两部分，其中前 16 位是 GDT 以字节为单位的界限值，所以这 16 位相当于GDT 的字节大小减1。后 32 位是 GDT 的起始地址。由于 GDT 的大小是 16 位二进制，其表示的范围是16 次方等于 65536 字节。每个描述符大小是8字节，故GDT 中最多可容纳的描述符数量是 65536/8=8192个，即 GDT 中可容纳 8192 个段或门

由于段基址存入了段描述符中，此时段寄存器中存入的是一个叫做选择子的东西——selector，用于在GDT中索引相应的段描述符

段选择子结构如下：

• RPL
  • 0-1位用于存储RPL，由于是2位，因此可以表示0，1，2，3四个特权级
  • RPL即请求特权级，可以理解为请求者的当前特权级
• TI位
  • 第2位是TI位，即 Table Indicator ，用来指示选择子是在 GDT 中，还是 LDT 中索引描述符
  • 0表示在GDT中索引描述符，1表示在LDT中索引描述符
• 索引值
  • 选择子的3-15位是描述符的索引值，用此值来索引描述符
  • 2^13=8192，故最多可以索引8192个描述符

本质上还是通过段基址+偏移的方式来完成内存访问的，段描述符与内存段的关系：

值得注意的是，GDT 中的第0个段描述符是不可用的，原因是定义在 GDT 中的段描述符是要用选择子来访问的，如果使用的选择子忘记初始化，选择子的值便会是0，这便会访问到第0段描述符。为了避免出现这种因忘记初始化选择子而选择到第0个段描述符的情况，GDT 中的第0个段描述符不可用。也就是说，若选择到了 GOT 中的第0个描述符，处理器将发出异常

局部描述符表，叫 LDT, Local Descriptor Table，其为支持多任务而创建，按照CPU的设想为一个任务对应一个LDT，但其实现代操作系统LDT并不多用

LDT表也需要加载到LDTR寄存器中，加载指令为lldt

lldt指令的格式为：lldt 16 位寄存器/16 位内存

LDT 为系统段，其也是一片内存区域，所以也需要用个描述符在 GDT 中先注册

同时LDT表的第0项是可用的，因为TI位为显式初始化的必然结果

打开A20地址线

在实模式下，存在wrap-around，即地址回绕的问题，也就是最大寻址为0xffff0+0xffff=0x10ffef，显然这已经超过了1MB的内存

所以CPU的做法是会从头开始，产生回绕，相当于把地址对1MB求模 超过1MB但多余出来的内存被称为高端内存区 HMA

当CPU到了80286时候，地址总线由20位变成了24位，出于兼容性的考虑，便有了A20Gate，即对第21根地址线进行控制

• 如果 A20Gate 被打开，当访问到 0x100000-0x10FFEF 之间的地址时， CPU 将真正访问这块物理内存
• 如果 A20Gate被禁止，当访问到 0x100000-0x10FFEF 之间的地址时， CPU 将采用 8086/8088 的地址回绕

开启A20Gate的方式也极其简单，将端口0x92的第1位置1：

in al, 0x92
or al, 00000010B
out 0x92, al

保护模式开关

CRx系列控制寄存器是CPU的窗口，用来展示CPU内部状态及控制CPU运行机制

保护模式的开关为CR0寄存器：

CR0寄存器的第0位为PE位，即Pro tionEnable ，此位用于启用保护模式

开启保护模式的最后一步：

mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax

保护模式之内存段的保护

向段寄存器加载选择子时的保护

当引用一个内存段时，实际上就是往段寄存器中加载个选择子，处理器会做出一些检查

• 选择子检查
  • 需要判断高13位的索引值是否正确，一定要小于等于描述符表中的描述符个数，了一通过段描述符表的界限值来判断
  • 先检查TI的值，选择是从GDT还是LDT中取描述符
• 段描述符检查
  • 检查type字段，检测段寄存器的用途和段类型是否匹配，原则如下：
    • 具有可执行属性的段才能加载到CS
    • 只具备执行属性的段不允许加载到除CS外的段寄存器
    • 具备可写属性的段才能加载到SS栈段
    • 至少具备可读才能加载到DS、ES、FS、GS段寄存器中
    • 总结，如下表所示：
      
  • 检查完type后检查p位，验证该段是否存在
  • 设置A位为1，表示CPU已访问过
  • A位由CPU设置，P位通常由操作系统设置