第16课 - 保护模式中的特权级（中）
Posted dua677
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了第16课 - 保护模式中的特权级（中）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一种新的描述符：门描述符（Gate Descriptor）
通过门描述符在不同特权级的代码间进行跳转
根据应用场景的不同，门描述符分为：
调用门（Call Gates）
中断门（Interrupt Gates）
陷阱门（Trap Gate）
任务门（Task Gate）
门描述符的内存结构
每一个门描述符占用8字节内存
不同类项门描述的内存含义不同
调用门描述符（Call Gates）的定义
调用门描述符的工作原理
调用门描述符的使用
汇编小贴士
汇编语言中的跳转方式
段内跳转：call，jmp
参数为响度地址，函数调用时只需要保存当前偏移地址
段间跳转：call far, jmp far
参数为选择子和偏移地址
函数调用时需要同时保存段基地址和偏移地址
实验结论
门描述符是一种特殊的描述符，需要注册于段描述符表
调用门可以看作一个函数指针（保存具体函数的入口地址）
通过调用门选择子对相应的函数进行远调用（call far)
可以直接使用选择子：偏移地址的方式调用其它段的函数
使用调用门时偏移地址无意义，仅仅是语法需要
如何复用14课的PrintString函数？
将不同代码段需要复用的函数定义到独立的段中（retf）
计算每一个可复用函数的偏移量（FuncName - $$）
通过段选择子：偏移地址的方式对目标函数进行远调用
小结
门描述符是一种特殊的描述符，需要注册于段描述符表
门描述符分为：调用门，中断门，陷阱门，任务门
调用门可以看作一个函数指针（保存具体函数的入口地址）
调用门选择子对应的函数调用方式为远调用（call far）
代码
// inc.asm ; Segment Attribute ; 一致性是指高特权不能访问低特权，但是低特权能访问高特权，不过特权级别不变 DA_32 equ 0x4000 ; 保护模式32位段 DA_DR equ 0x90 ; 只读数据段 DA_DRW equ 0x92 ; 可读写数据段 DA_DRWA equ 0x93 ; 已访问可读写数据段 DA_C equ 0x98 ; 只执行代码段 DA_CR equ 0x9A ; 可执行可读代码段 DA_CCO equ 0x9C ; 只执行一致代码段 DA_CCOR equ 0x9E ; 可执行可读一致代码段 ; Segment Privilege DA_DPL0 equ 0x00 ; DPL = 0 DA_DPL1 equ 0x20 ; DPL = 1 DA_DPL2 equ 0x40 ; DPL = 2 DA_DPL3 equ 0x60 ; DPL = 3 ; Special Attribute DA_LDT equ 0x82 DA_TaskGate equ 0x85 ; 任务门类型值 DA_386TSS equ 0x89 ; 可用 386 任务状态段类型值 DA_386CGate equ 0x8C ; 386 调用门类型值 DA_386IGate equ 0x8E ; 386 中断门类型值 DA_386TGate equ 0x8F ; 386 陷阱门类型值 ; Selector Attribute SA_RPL0 equ 0 ; 高特权，内核级 SA_RPL1 equ 1 ; 中高特权，服务级 SA_RPL2 equ 2 ; 中低特权，服务级 SA_RPL3 equ 3 ; 低特权，用户级 SA_TIG equ 0 ; GDT SA_TIL equ 4 ; LDT，本质是1，因为后面还有2bit的RPL标志位 ; 描述符 ; usage: Descriptor Base, Limit, Attr ; Base: dd ; Limit:dd (low 20 bits available) ; Attr: dw (lower 4 bits of higher byte are always 0) %macro Descriptor 3 ; 段基址，段界限，段属性 dw %2 & 0xFFFF ; 段界限1 dw %1 & 0xFFFF ; 段基址1 db (%1 >> 16) & 0xFF ; 段基址2 dw ((%2 >> 8) & 0xF00) | (%3 & 0xF0FF) ; 属性1 + 段界限2 + 属性2 db (%1 >> 24) & 0xFF ; 段基址3 %endmacro ; 共8字节 ; 门 ; usage: Gate Selector, Offset, DCount, Attr ; Selector: dw ; Offset: dd ; DCount: db ; Attr: db %macro Gate 4 dw (%2 & 0xFFFF) ; 偏移地址1 dw %1 ; 选择子 dw (%3 & 0x1F) | ((%4 << 8) & 0xFF00) ; 属性 dw ((%2 >> 16) & 0xFFFF) ; 偏移地址2 %endmacro // loader.asm %include "inc.asm" org 0x9000 jmp ENTRY_SEGMENT [section .gdt] ; 全局描述符表，部分段基址暂未知地址需使用时再调节 ; GDT definition ; "函数名" 段基址 段界限 段属性 GDT_ENTRY : Descriptor 0, 0, 0 ; 全局段描述符表第0项不使用 CODE32_DESC : Descriptor 0, Code32SegLen - 1, DA_C + DA_32 VIDEO_DESC : Descriptor 0xB8000, 0x07FFF, DA_DRWA + DA_32 STACK32_DESC : Descriptor 0, TopOfStack32, DA_DRW + DA_32 FUNCTION_DESC : Descriptor 0, FunctionSegLen - 1, DA_C + DA_32 ; Gate Descriptor ; Call Gate 选择子 偏移 参数个数 属性 FUNC_CG_ADD_DESC Gate FunctionSelector, CG_Add, 0, DA_386CGate FUNC_CG_SUB_DESC Gate FunctionSelector, CG_Sub, 0, DA_386CGate ; GDT end GdtLen equ $ - GDT_ENTRY GdtPtr: ; 全局描述符表指针 dw GdtLen - 1 ; 偏移，记录描述符数量 dd 0 ; 全局描述符起始地址，先初始化为0 ; GDT Selector ; TI：全局、局部 RPL：请求权限级别 Code32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; 0x0001==第二个选择子 VideoSelector equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Stack32Selector equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 FunctionSelector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 FuncCGAddSelector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 FuncCGSubSelector equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; end of [section .gdt] TopOfStack16 equ 0x7c00 [section .s16] ; 实模式代码段（16bit） [bits 16] ; 使用16位编译 ENTRY_SEGMENT: ; 16位保护模式入口段 mov ax, cs ; 初始化相关寄存器 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 ; initialize GDT for 32 bits code segment mov esi, CODE32_SEGMENT ; 初始化32位保护模式32位代码段描述符 mov edi, CODE32_DESC call InitDescItem mov esi, STACK32_SEGMENT ; 初始化32位保护模式32位栈段描述符 mov edi, STACK32_DESC call InitDescItem mov esi, FUNCTION_SEGMENT ; 初始化函数段描述符 mov edi, FUNCTION_DESC call InitDescItem ; initialize GDT pointer struct mov eax, 0 ; 代码段地址左移4位 mov ax, ds shl eax, 4 add eax, GDT_ENTRY ; 代码段偏移地址==> 左移过后的代码段+全局描述符表入口地址偏移量 mov dword [GdtPtr + 2], eax ; 写入全局描述符表指针 ; 1. load GDT lgdt [GdtPtr] ; 加载全局描述符表 ; 2. close interrupt cli ; 关闭中断 ; 3. open A20 in al, 0x92 ; 通过0x92端口开启A20地址线开关 or al, 00000010b out 0x92, al ; 4. enter protect mode mov eax, cr0 ; 设置cr0寄存器，进入保护模式 or eax, 0x01 mov cr0, eax ; 5. jump to 32 bits code jmp dword Code32Selector : 0 ; 使用jmp跳转到32位代码段选择子的0偏移处 ; esi --> code segment label ; edi --> descriptor label InitDescItem: ; 初始化描述符项目 push eax mov eax, 0 ; 代码段地址左移4位 mov ax, cs shl eax, 4 ; 实地址=段寄存器地址左移4位+偏移地址 add eax, esi mov word [edi + 2], ax ; 将段基址写入描述符2个字节（16位寄存器），低32位的16-31bit（偏移2字节） shr eax, 16 ; 移除eax实地址中已经写入段基址的2字节数据 mov byte [edi + 4], al ; 将段基址写入描述符1个字节(8位寄存器)，高32位的0-7bit（偏移4+0=4字节） mov byte [edi + 7], ah ; 将段基址写入描述符1个字节(8位寄存器)，高32位的24-31bit（偏移4+3=7字节） pop eax ret [section .s32] ; 32位代码段 [bits 32] ; 使用32位编译 CODE32_SEGMENT: ; 32位代码段数据 mov ax, VideoSelector ; 把视频段选择子放到gs全局段寄存器 mov gs, ax mov ax, Stack32Selector mov ss, ax mov eax, TopOfStack32 mov esp, eax mov ax, 2 mov bx, 1 call FuncCGAddSelector : 0 ; call FunctionSelector : CG_Add ；选择子：偏移量 call FuncCGSubSelector : 0 ; call FunctionSelector : CG_Sub jmp $ Code32SegLen equ $ - CODE32_SEGMENT [section .func] [bits 32] FUNCTION_SEGMENT: ; ax --> a ; bx --> b ; ; return: ; cx --> a + b AddFunc: mov cx, ax add cx, bx retf CG_Add equ AddFunc - $$ ; ax --> a ; bx --> b ; ; return: ; cx --> a - b SubFunc: mov cx, ax sub cx, bx retf CG_Sub equ SubFunc - $$ FunctionSegLen equ $ - FUNCTION_SEGMENT [section .gs] [bits 32] STACK32_SEGMENT: ; 32位栈段定义 times 1024 * 4 db 0 Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1 // loader.asm 修改复用的PrintString(loader.asm - Lesson 14) %include "inc.asm" org 0x9000 jmp ENTRY_SEGMENT [section .gdt] ; 全局描述符表，部分段基址暂未知地址需使用时再调节 ; GDT definition ; "函数名" 段基址 段界限 段属性 GDT_ENTRY : Descriptor 0, 0, 0 ; 全局段描述符表第0项不使用 CODE32_DESC : Descriptor 0, Code32SegLen - 1, DA_C + DA_32 VIDEO_DESC : Descriptor 0xB8000, 0x07FFF, DA_DRWA + DA_32 DATA32_DESC : Descriptor 0, Data32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 STACK32_DESC : Descriptor 0, TopOfStack32, DA_DRW + DA_32 CODE16_DESC : Descriptor 0, 0xFFFF, DA_C UPDATE_DESC : Descriptor 0, 0xFFFF, DA_DRW ; 回到保护模式 TASK_A_LDT_DESC : Descriptor 0, TaskALdtLen - 1, DA_LDT ; 全局描述符表中的局部描述符 FUNCTION_DESC : Descriptor 0, FunctionSegLen - 1, DA_C + DA_32 ; 选择门描述符 ; GDT end GdtLen equ $ - GDT_ENTRY GdtPtr: ; 全局描述符表指针 dw GdtLen - 1 ; 偏移，记录描述符数量 dd 0 ; 全局描述符起始地址，先初始化为0 ; GDT Selector ; TI：全局、局部 RPL：请求权限级别 Code32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; 0x0001==第二个选择子 VideoSelector equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Data32Selector equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Stack32Selector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 Code16Selector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UpdateSelector equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; 回到保护模式 TaskALdtSelector equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; 局部描述符表选择子A FunctionSelector equ (0x0008 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; 选择门 ; end of [section .gdt] TopOfStack16 equ 0x7c00 [section .dat] ; 32位数据段 [bits 32] DATA32_SEGMENT: DTOS db "D.T.OS!", 0 ; 注意添加字符串结束标记0 DTOS_OFFSET equ DTOS - $$ HELLO_WORLD db "Hello World!", 0 HELLO_WORLD_OFFSET equ HELLO_WORLD - $$ Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT [section .s16] ; 实模式代码段（16bit） [bits 16] ; 使用16位编译 ENTRY_SEGMENT: ; 16位保护模式入口段 mov ax, cs ; 初始化相关寄存器 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 mov [BACK_TO_REAL_MODE + 3], ax ; initialize GDT for 32 bits code segment mov esi, CODE32_SEGMENT ; 初始化32位保护模式32位代码段描述符 mov edi, CODE32_DESC call InitDescItem mov esi, DATA32_SEGMENT ; 初始化32位保护模式32位数据段描述符 mov edi, DATA32_DESC call InitDescItem mov esi, STACK32_SEGMENT ; 初始化32位保护模式32位栈段描述符 mov edi, STACK32_DESC call InitDescItem mov esi, CODE16_SEGMENT ; 初始化32位保护模式16位代码段描述符 mov edi, CODE16_DESC call InitDescItem mov esi, TASK_A_LDT_ENTRY ; 初始化局部描述符表 mov edi, TASK_A_LDT_DESC call InitDescItem mov esi, TASK_A_CODE32_SEGMENT mov edi, TASK_A_CODE32_DESC call InitDescItem mov esi, TASK_A_DATA32_SEGMENT mov edi, TASK_A_DATA32_DESC call InitDescItem mov esi, TASK_A_STACK32_SEGMENT mov edi, TASK_A_STACK32_DESC call InitDescItem mov esi, FUNCTION_SEGMENT mov edi, FUNCTION_DESC call InitDescItem ; initialize GDT pointer struct mov eax, 0 ; 代码段地址左移4位 mov ax, ds shl eax, 4 add eax, GDT_ENTRY ; 代码段偏移地址==> 左移过后的代码段+全局描述符表入口地址偏移量 mov dword [GdtPtr + 2], eax ; 写入全局描述符表指针 ; 1. load GDT lgdt [GdtPtr] ; 加载全局描述符表 ; 2. close interrupt cli ; 关闭中断 ; 3. open A20 in al, 0x92 ; 通过0x92端口开启A20地址线开关 or al, 00000010b out 0x92, al ; 4. enter protect mode mov eax, cr0 ; 设置cr0寄存器，进入保护模式 or eax, 0x01 mov cr0, eax ; 5. jump to 32 bits code jmp dword Code32Selector : 0 ; 使用jmp跳转到32位代码段选择子的0偏移处 BACK_ENTRY_SEGMENT: ; 返回入口段（保护模式返回实模式） mov ax, cs mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, TopOfStack16 ; 设置16位栈顶指针 in al, 0x92 ; 关闭A20地址线 and al, 11111101b out 0x92, al sti ; 开启中断 mov bp, HELLO_WORLD ; 使用实模式打印提示语句，注意bp指向的是字符串而不是段起始地址 mov cx, 12 ; 字符串长度 mov dx, 0 ; 打印于第0行 mov ax, 0x1301 ; 在电传打字机模式输出，字符串只含字符，启用BL属性 mov bx, 0x0007 ; 打印第0页，输出白色前景色 int 0x10 jmp $ ; esi --> code segment label ; edi --> descriptor label InitDescItem: ; 初始化描述符项目 push eax mov eax, 0 ; 代码段地址左移4位 mov ax, cs shl eax, 4 ; 实地址=段寄存器地址左移4位+偏移地址 add eax, esi mov word [edi + 2], ax ; 将段基址写入描述符2个字节（16位寄存器），低32位的16-31bit（偏移2字节） shr eax, 16 ; 移除eax实地址中已经写入段基址的2字节数据 mov byte [edi + 4], al ; 将段基址写入描述符1个字节(8位寄存器)，高32位的0-7bit（偏移4+0=4字节） mov byte [edi + 7], ah ; 将段基址写入描述符1个字节(8位寄存器)，高32位的24-31bit（偏移4+3=7字节） pop eax ret [section .s16] [bits 16] CODE16_SEGMENT: ; 保护模式返回实模式 mov ax, UpdateSelector ; 注意不要操作CS寄存器，因为当前还是保护模式 mov ds, ax mov es, ax mov fs, ax mov gs, ax mov ss, ax mov eax, cr0 ; 进入保护模式 and al, 11111110b mov cr0, eax BACK_TO_REAL_MODE: jmp 0 : BACK_ENTRY_SEGMENT ; 注意使用段基地址 + 偏移量的方式 Code16SegLen equ $ - CODE16_SEGMENT [section .func] [bits 32] FUNCTION_SEGMENT: ; ds:ebp --> string address ; bx --> attribute ; dx --> dh : row, dl : col PrintStringFunc: ; 打印字符串函数 push ebp push eax push edi push cx push dx print: mov cl, [ds:ebp] ; cl记录要打印的字符 cmp cl, 0 ; 对比字符串结束符号 je end mov eax, 80 ; 每行字符数 mul dh ; 乘以行数 add al, dl ; 加上列数，最终计算出要显示的位置 shl eax, 1 ; 左移乘以2，计算字节偏移 mov edi, eax ; 写入显示的偏移地址到edi mov ah, bl ; 字符属性写入高位 mov al, cl ; 字符写入低位 mov [gs:edi], ax ; 写入显存对应地址 inc ebp ; 指向下一个字符 inc dl ; 指向屏幕的下一列 jmp print end: pop dx pop cx pop edi pop eax pop ebp retf PrintString equ PrintStringFunc - $$ FunctionSegLen equ $ - FUNCTION_SEGMENT [section .s32] ; 32位代码段 [bits 32] ; 使用32位编译 CODE32_SEGMENT: ; 32位代码段数据 mov ax, VideoSelector ; 把视频段选择子放到gs全局段寄存器 mov gs, ax mov ax, Stack32Selector mov ss, ax mov eax, TopOfStack32 mov esp, eax mov ax, Data32Selector mov ds, ax mov ebp, DTOS_OFFSET ; 在保护模式输出字符串，地址为段偏移 mov bx, 0x0C ; 黑底淡红字 mov dh, 12 ; 指定行地址，注意行列都是从0开始 mov dl, 33 ; 指定列地址 call FunctionSelector : PrintString mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET ; 打印另一个字符串 mov bx, 0x0C mov dh, 13 mov dl, 31 call FunctionSelector : PrintString mov ax, TaskALdtSelector ; 使用局部描述符表 lldt ax jmp TaskACode32Selector : 0 ; jmp Code16Selector : 0 ; 返回到16位实模式 Code32SegLen equ $ - CODE32_SEGMENT [section .gs] [bits 32] STACK32_SEGMENT: ; 32位栈段定义 times 1024 * 4 db 0 Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1 ; ======================================= ; ; Task A code Segment ; ; ======================================= [section .task-a-ldt] ; Task A LDT definition ; 段基址， 段界限， 段属性 TASK_A_LDT_ENTRY: TASK_A_CODE32_DESC : Descriptor 0, TaskACode32SegLen - 1, DA_C + DA_32 TASK_A_DATA32_DESC : Descriptor 0, TaskAData32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 TASK_A_STACK32_DESC : Descriptor 0, TaskAStack32SegLen - 1, DA_DRW + DA_32 TaskALdtLen equ $ - TASK_A_LDT_ENTRY ; Task A LDT Selector TaskACode32Selector equ (0x0000 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0 TaskAData32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0 TaskAStack32Selector equ (0x0002 << 3) + SA_TIL + SA_RPL0 [section .task-a-dat] [bits 32] TASK_A_DATA32_SEGMENT: TASK_A_STRING db "This is Task A!", 0 TASK_A_STRING_OFFSET equ TASK_A_STRING - $$ TaskAData32SegLen equ $ - TASK_A_DATA32_SEGMENT [section .task-a-gs] [bits 32] TASK_A_STACK32_SEGMENT: times 1024 db 0 TaskAStack32SegLen equ $ - TASK_A_STACK32_SEGMENT TaskATopOfStack32 equ TaskAStack32SegLen - 1 [section .task-a-s32] [bits 32] TASK_A_CODE32_SEGMENT: mov ax, VideoSelector mov gs, ax mov ax, TaskAStack32Selector mov ss, ax mov eax, TaskATopOfStack32 mov esp, eax mov ax, TaskAData32Selector mov ds, ax mov ebp, TASK_A_STRING_OFFSET mov bx, 0x0C mov dh, 14 mov dl, 29 call FunctionSelector : PrintString jmp Code16Selector : 0 ; 返回16位保护模式 ; 删除原有TaskAPrintString函数 TaskACode32SegLen equ $ - TASK_A_CODE32_SEGMENT
输出
ndisasm -o 0x9000 loader > loader.txt反汇编查看两个函数的调用情况，可从16位实模式跳转到32位保护模式的地方开始（包含jmp指令），下图是采用调用门调用两个函数的结果
采用段选择子：偏移地址的方式调用PrintString函数
以上是关于第16课 - 保护模式中的特权级（中）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章