操作系统-深入特权级转移上
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了操作系统-深入特权级转移上相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、深入特权级转移上A-初识任务状态栏(Task State Segment)
1.处理器所提供的硬件数据结构，用于实现多任务解决方案
2.TSS中保存了关键寄存器的值以及不同特权级使用的栈
TSS有三种不同的数据如下图所示
需要用到段寄存器与通用寄存器的值主要是因为多任务，任务之间需要切换，在切换时需要保存任务上下文，这里的任务上下文具体指的是段寄存器与通用寄存器的值。
3.TSS不同特权级的栈信息-在TSS中只保存了3个栈的信息
特权级0:ss0,esp0
特权级1:ss1,esp1
特权级2:ss2,esp2
4.特权级转移时栈的变化
a.低特权级-高特权级:从TSS获取高特权级目标栈段，将低特权级栈信息压入高特权级栈中(ss和esp)
b.高特权级-低特权级(retf):将低特权级栈信息从高特权级栈中取出并恢复到ss和esp
Q：TSS中为只保存3个特权级(0,1,2)的栈信息?
Intel x86架构的cpu一共有0～4四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然要好好利用，这属于操作系统要做的事情，对于UNIX/LINUX来说，只使用了0级特权级别和3级特权级。也就是说在UNIX/LINUX系统中，一条工作在0级特权级的指令具有了CPU能提供的最高权力，而一条工作在3级特权的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。
在TSS中，由高特权返回到低特权级的情况，处理器是不需要在TSS中去寻找低特权级目标栈的。其中一个原因我想您已经猜到了：TSS中只记录2、1、0特权级的栈，假如是从2特权级返回到3特权级，没有3特权级的栈进行查找。
实验
低特权级<>高特权级
1.定义32位核心代码段和数据段
2.定义32位任务代码段和数据段
3.由核心代码段跳转到任务代码段执行(高-低)
4.在任务代码段中调用高特权级代码段打印字符串
实现过程:当系统开始执行，从实模式到保护模式，特权级为0对应的时核心代码段，当此处执行完毕，返回任务代码段，此处特权级降低，当其运行到某处，需要调用系统函数，在这里特权级转移，提供调用门转移到系统函数(内核态），系统执行完毕，返回任务段。
在这里需要注意的是
1.特权级转移时发生栈的变化
2.栈的变化需要在TSS结构体中预先定义
3.TSS结构体作为一个独立段定义-描述符与选择子
4.在核心代码段加载具体的TSS结构体
实验，先从高特权级转换到低特权级(下图所示转换部分)，然后通过调用门call FuncPrintStringSelector : 0来升特权级
代码部分
%include "inc.asm"
org 0x9000
jmp ENTRY_SEGMENT
[section .gdt]
; GDT definition
GDT_ENTRY : Descriptor 0, 0, 0
CODE32_DESC : Descriptor 0, Code32SegLen - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL0
VIDEO_DESC : Descriptor 0xB8000, 0x07FFF, DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3
DATA32_DESC : Descriptor 0, Data32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 + DA_DPL0
STACK32_DESC : Descriptor 0, TopOfStack32, DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0
FUNCTION_DESC : Descriptor 0, FunctionSegLen - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL0;操作系统所提供的函数，应用程序调用陷入内核状态执行，发生特权级转移
TASK_A_LDT_DESC : Descriptor 0, TaskALdtLen - 1, DA_LDT + DA_DPL0
TSS_DESC : Descriptor 0, TSSLen - 1, DA_386TSS + DA_DPL0
; Call Gate
FUNC_PRINTSTRING_DESC : Gate FunctionSelector, PrintString, 0, DA_386CGate + DA_DPL3
; GDT end
GdtLen equ $ - GDT_ENTRY
GdtPtr:
dw GdtLen - 1
dd 0
; GDT Selector
Code32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
VideoSelector equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
Data32Selector equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Stack32Selector equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
FunctionSelector equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
TaskALdtSelector equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
TSSSelector equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
; Gate Selector
FuncPrintStringSelector equ (0x0008 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3
ion .gdt]
[section .tss];定义任务状态段tss，32位
[bits 32]
TSS_SEGMENT:
dd 0
dd TopOfStack32 ; 0
dd Stack32Selector ;
dd 0 ; 1
dd 0 ;
dd 0 ; 2
dd 0 ;
times 4 * 18 dd 0
dw 0
dw $ - TSS_SEGMENT + 2
db 0xFF
TSSLen equ $ - TSS_SEGMENT
TopOfStack16 equ 0x7c00
[section .s16]
[bits 16]
ENTRY_SEGMENT:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, TopOfStack16
; initialize GDT for 32 bits code segment
mov esi, CODE32_SEGMENT
mov edi, CODE32_DESC
call InitDescItem
mov esi, DATA32_SEGMENT
mov edi, DATA32_DESC
call InitDescItem
mov esi, STACK32_SEGMENT
mov edi, STACK32_DESC
call InitDescItem
mov esi, FUNCTION_SEGMENT
mov edi, FUNCTION_DESC
call InitDescItem
mov esi, TASK_A_LDT_ENTRY
mov edi, TASK_A_LDT_DESC
call InitDescItem
mov esi, TASK_A_DATA32_SEGMENT
mov edi, TASK_A_DATA32_DESC
call InitDescItem
mov esi, TASK_A_CODE32_SEGMENT
mov edi, TASK_A_CODE32_DESC
call InitDescItem
mov esi, TASK_A_STACK32_SEGMENT
mov edi, TASK_A_STACK32_DESC
call InitDescItem
mov esi, TSS_SEGMENT
mov edi, TSS_DESC
call InitDescItem
; initialize GDT pointer struct
mov eax, 0
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, GDT_ENTRY
mov dword [GdtPtr + 2], eax
; 1. load GDT
lgdt [GdtPtr]
; 2. close interrupt
cli
; 3. open A20
in al, 0x92
or al, 00000010b
out 0x92, al
; 4. enter protect mode
mov eax, cr0
or eax, 0x01
mov cr0, eax
; 5. jump to 32 bits code
jmp dword Code32Selector : 0
; esi --> code segment label
; edi --> descriptor label
InitDescItem:
push eax
mov eax, 0
mov ax, cs
shl eax, 4
add eax, esi
mov word [edi + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [edi + 4], al
mov byte [edi + 7], ah
pop eax
ret
[section .dat]
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
DTOS db "D.T.OS!", 0
DTOS_OFFSET equ DTOS - $$
Data32SegLen equ $ - DATA32_SEGMENT
[section .s32]
[bits 32]
CODE32_SEGMENT:
mov ax, VideoSelector
mov gs, ax
mov ax, Data32Selector
mov ds, ax
mov ax, Stack32Selector
mov ss, ax
mov eax, TopOfStack32
mov esp, eax
;在这里进行跳转，核心代码段跳转到任务代码段，高特权级到低特权级
打印字符串，用于说明核心代码段启动
mov ebp, DTOS_OFFSET
mov bx, 0x0c
mov dh, 12
mov dl, 33
call FunctionSelector : PrintString
mov ax, TSSSelector
ltr ax
;执行跳转，加载应用程序，应用程序的入口地址为任务代码段
;[section.task-a-s32]
mov ax, TaskALdtSelector
lldt ax
;使用retf进行跳转，首先将任务代码段使用栈信息压入到当前核心代码段高特权级栈中
push TaskAStack32Selector
push TaskATopOfStack32
push TaskACode32Selector
push 0
retf
Code32SegLen equ $ - CODE32_SEGMENT
[section .gs]
[bits 32]
STACK32_SEGMENT:
times 1024 * 4 db 0
Stack32SegLen equ $ - STACK32_SEGMENT
TopOfStack32 equ Stack32SegLen - 1
; ==========================================
;
; Global Function Segment
;
; ==========================================
[section .func]
[bits 32]
FUNCTION_SEGMENT:
; ds:ebp --> string address
; bx --> attribute
; dx --> dh : row, dl : col
PrintStringFunc:
push ebp
push eax
push edi
push cx
push dx
print:
mov cl, [ds:ebp]
cmp cl, 0
je end
mov eax, 80
mul dh
add al, dl
shl eax, 1
mov edi, eax
mov ah, bl
mov al, cl
mov [gs:edi], ax
inc ebp
inc dl
jmp print
end:
pop dx
pop cx
pop edi
pop eax
pop ebp
retf
PrintString equ PrintStringFunc - $$
FunctionSegLen equ $ - FUNCTION_SEGMENT
; ==========================================
;
; Task A Code Segment
;
; ==========================================
[section .task-a-ldt]
; Task A LDT definition
TASK_A_LDT_ENTRY:
TASK_A_CODE32_DESC : Descriptor 0, TaskACode32SegLen - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL3
TASK_A_DATA32_DESC : Descriptor 0, TaskAData32SegLen - 1, DA_DR + DA_32 + DA_DPL3
TASK_A_STACK32_DESC : Descriptor 0, TaskAStack32SegLen - 1, DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3
TaskALdtLen equ $ - TASK_A_LDT_ENTRY
; Task A LDT Selector
TaskACode32Selector equ (0x0000 << 3) + SA_TIL + SA_RPL3
TaskAData32Selector equ (0x0001 << 3) + SA_TIL + SA_RPL3
TaskAStack32Selector equ (0x0002 << 3) + SA_TIL + SA_RPL3
[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];任务代码段
[bits 32]
TASK_A_CODE32_SEGMENT:
mov ax, TaskAData32Selector
mov ds, ax
mov ebp, TASK_A_STRING_OFFSET
mov bx, 0x0c
mov dh, 14
mov dl, 29
call FuncPrintStringSelector : 0
jmp $
TaskACode32SegLen equ $ - TASK_A_CODE32_SEGMENT
运行结果
分析过程
1.首先通过反编译将其换成32位的代码，找到关键的跳转命令retf，并在bochs下设置断点
2.在设置好断电之后进行单步调试，在跳转之前查看寄存器值，此时cx寄存器值为0x0007，在跳转之后，代码进入到PrintStringFunc，此时cx寄存器值为0x0028
3.通过比较两个不同时刻的cx寄存器在16进制下最后两位的比较，发现跳转时发生了低特权级(11=3)到高特权级的转换(00=0)
B.RPL的意义(如下图所示)
1.位置意义-选择子或段寄存器的最低2位
2.请求意义-资源请求的特权级(不同于当前特权级CPL)
3.当需要请求获取某种资源时，处理器通过CPL,RPL和DPL共同确定请求是否合法
小结
1.TSS是通过调用门转移高特权级执行的关键
2.TSS是处理器的硬件数据结构，用于实现多任务
3.TSS结构体遵循保护模式下内存使用的规则
4.RPL在请求资源时是合法判断的依据之一
5.处理器使用CPL,RPL和DPL共同确定合法性
以上是关于操作系统-深入特权级转移上的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
任务和特权级保护——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记32