操作系统篇-分段机制与GDT|LDT

Posted 2020-08-25 卫卐

保护模式寻址入门，了解保护模式分段机制，全局描述符GDT与局部描述符LDT的区别，分析描述符的结构、类型。

　

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　　一、前言

    在《操作系统篇-浅谈实模式与保护模式》中提到了两种模式，我们说在操作系统中，其实大部分时间是待在保护模式中的。因此若想理解操作系统程序中的启动相关的部分，必须要理解保护模式下的编程，而分段机制是保护模式编程下的基础。而且，由于实模式与保护模式的不同，对保护模式下的分段机制更需要注意。

　　二、线性地址

　　在保护模式下编程，访问内存时，需要在程序中给出段地址和偏移量，因为分段是保护模式的基本特征之一。传统上，段地址和偏移地址称为逻辑地址，偏移地址叫做有效地址，在指令中给出有效地址的方式叫做寻址方式。

　　段的管理是由处理器的段部件负责进行的，段部件将段地址和偏移地址相加，得到访问内存的地址。一般来说，段部件产生的地址就是物理地址。

　　在分段模型下，内存的分配是不定长的，时间长了，内存空间就会碎片化，就有可能出现一种情况：内存空间是有的，但都是小块，无法分配给某个任务。为了解决这个问题，在支持分页功能后，分页功能将物理内存空间划分成逻辑上的页。页的大小是固定的，一般为 4KB，通过使用页，可以简化内存管理。

　　如下图所示，当页功能开启时，段部件产生的地址就不再是物理地址了，而是线性地址，线性地址还要经页部件转换后，才是物理地址。

 

 　　线性地址的概念用来描述任务的地址空间。如上图所示， 32位保护模式中，每个任务都拥有4GB 的虚拟内存空间，就像一段平直的线段，因此叫线性地址空间。相应地，由段部件产生的地址，就对应着线性地址空间上的每一个点，这就是线性地址。

 　　三、段

　　段是实现虚拟地址到线性地址转换机制的基础。在保护方式下，段的特征有以下三个：段基址，段限长，段属性。这三个特征存储在段描述符（segmentdescriptor）之中，用以实现从逻辑地址到线性地址的转换。段描述符存储在段描述符表之中，通常，我们使用段选择符定位段描述符在这个表中的位置。每个逻辑地址由16位的段选择符+32位的偏移量组成。

　　段基址规定线性地址空间中段的开始地址。在保护模式下，段基地址长32位。因为基地址长度与寻址地址的长度相同，所以段基地址可以是 0～4GB 范围内的任意地址，而不像实方式下规定的边界必须被16整除。不过，还是建议应当选取那些 16 字节对齐的地址。尽管对于 Intel 处理器来说，允许不对齐的地址，但是，对齐能够使程序在访问代码和数据时的性能最大化。

　　段界限规定段的大小。在保护模式下，段界限用20位表示，而且段界限可以是以字节为单位或以4K字节为单位。偏移量是从 0 开始递增，段界限决定了偏移量的最大值。对于向下扩展的段，如堆栈段来说， 段界限决定了偏移量的最小值。

　　段属性我们放到下面讲解描述符的时候来讲。

　　四、段描述符表

 　　 和一个段有关的信息需要 8 个字节来描述，这就是段描述符（ Segment Descriptor），每个段都需要一个描述符。为了存放这些描述符，需要在内存中开辟出一段空间。在这段空间里，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，这就构成一个描述符表。描述符表的长度可变，最多可以包含8K个这样的描述符（为什么呢？因为段选择子是16位的，其中的13bit用来作index）。

　　有两种描述符表，GDT和LDT。结构如下：

 　　

 

 　　其实LDT与我们在《操作系统篇-浅谈实模式与保护模式》中提到过的GDT是差不多的，区别在于（1）全局（Global）和局部（local）；（2）LDT表存放在LDT类型的段之中，此时GDT必须含有LDT的段描述符；（3）LDT本身是一个段，而GDT不是。

　　查找GDT在线性地址中的基地址，需要借助GDTR；而查找LDT相应基地址，需要的是GDT中的段描述符。访问LDT需要使用段选择符，为了减少访问LDT时候的段转换次数，LDT的段选择符，段基址，段限长都要放在LDTR寄存器之中。

　　对于操作系统来说，每个系统必须定义一个GDT，用于系统中的所有任务和程序。可选择性定义若干个LDT。GDT本身不是一个段，而是线性地址空间的一个数据结构；GDT的线性基地址和长度必须加载进GDTR之中。因为每个描述符长度是8，所以GDT的基地址最好进行8字节对齐。

 　　五、段选择符

 　　实模式下的 6 个段寄存器 CS、 DS、 ES、 FS、 GS 和 SS，在保护模式下叫做段选择器。和实模式不同，保护模式的内存访问有它自己的方式。在保护模式下，尽管访问内存时也需要指定一个段，但传送到段选择器的内容不是逻辑段地址，而是段描述符在描述符表中的索引号。在保护模式下访问一个段时，传送到段选择器的是段选择符，也叫段选择子。其结构如下图所示：

 

 　　如图所示，段选择子由三部分组成，共16bit，第一部分是描述符的索引号，用来在描述符表中选择一个段描述符。 TI 是描述符表指示器， TI＝0 时，表示描述符在 GDT 中； TI＝1 时，描述符在 LDT 中。RPL 是请求特权级，表示给出当前选择子的那个程序的特权级别，正是该程序要求访问这个内存段。每个程序都有特权级别。

　　GDT 的线性基地址在 GDTR 中，又因为每个描述符占 8 字节，因此，描述符在表内的偏移地址是索引号乘以 8。当处理器在执行任何改变段选择器的指令时（比如 pop、 mov、jmp far、 call far、 iret、 retf），就将指令中提供的索引号乘以 8 作为偏移地址，同 GDTR 中提供的线性基地址相加，以访问 GDT。如果没有发现什么问题（比如超出了 GDT 的界限），就自动将找到的描述符加载到不可见的描述符高速缓存部分。如下图所示：

 

 加载的部分包括段的线性基地址、段界限和段的访问属性。此后，每当有访问内存的指令时，就不再访问 GDT 中的描述符，直接用当前段寄存器描述符高速缓存器提供线性基地址。

 　　六、段描述符

 　　a.描述符的结构

　　首先，我们来看看描述符的结构，拿出上篇blog的图来look一look：

　　GDT的作用是用来提供段式存储机制，这种机制是段寄存器和GDT中的描述符共同提供的。每个描述符在GDT中占8字节，也就是 2 个双字，或者说是 64 位。图中，下面是低32位，上面是高32位。

 　　其中：

　　G 位是粒度位，用于解释段界限的含义。当 G 位是“ 0”时，段界限以字节为单位。此时，段的扩展范围是从 1 字节到 1 兆字节（ 1B～1MB），因为描述符中的界限值是 20 位的。相反，如果该位是“ 1”，那么，段界限是以 4KB 为单位的。这样，段的扩展范围是从 4KB到 4GB

　　S 位用于指定描述符的类型（ Descriptor Type）。当该位是“ 0”时，表示是一个系统段；为“ 1”时，表示是一个代码段或者数据段（堆栈段也是特殊的数据段）。

 　　DPL 表示描述符的特权级（ Descriptor Privilege Level， DPL）。这两位用于指定段的特权级。共有 4 种处理器支持的特权级别，分别是 0、 1、 2、 3，其中 0 是最高特权级别， 3 是最低特权级别。刚进入保护模式时执行的代码具有最高特权级 0（可以看成是从处理器那里继承来的），这些代码通常都是操作系统代码，因此它的特权级别最高。每当操作系统加载一个用户程序时，它通常都会指定一个稍低的特权级，比如 3 特权级。不同特权级别的程序是互相隔离的，其互访是严格限制的，而且有些处理器指令（特权指令）只能由 0 特权级的程序来执行，为的就是安全。这里再次点明了为何叫保护模式。

 　　P 是段存在位（ Segment Present）。 P 位用于指示描述符所对应的段是否存在。一般来说，描述符所指示的段都位于内存中。但是，当内存空间紧张时，有可能只是建立了描述符，对应的内存空间并不存在，这时，就应当把描述符的 P 位清零，表示段并不存在。P 位是由处理器负责检查的。每当通过描述符访问内存中的段时，如果 P 位是“ 0”，处理器就会产生一个异常中断。

 　　D/B 位是“默认的操作数大小”（ Default Operation Size）或者“默认的堆栈指针大小”，又或者“上部边界”标志。设立该标志位，主要是为了能够在 32 位处理器上兼容运行 16 位保护模式的程序。D＝0 表示指令中的偏移地址或者操作数是 16 位的； D＝1，指示 32 位的偏移地址或者操作数。

 　　举个例子来说， 如果代码段描述符的 D 位是 0，那么，当处理器在这个段上执行时，将使用 16位的指令指针寄存器 IP 来取指令，否则使用 32 位的 EIP。

　　对于堆栈段来说，该位被叫做“ B”位，用于在进行隐式的堆栈操作时，是使用 SP 寄存器还是ESP 寄存器。

　　L 位是 64 位代码段标志，保留此位给 64 位处理器使用。目前，我们将此位置“ 0”即可。

　　TYPE 字段共 4 位，用于指示描述符的子类型，或者说是类别。

　　b.描述符类型

　　对于数据段来说， 这 4 位分别是 X、 E、 W、 A 位；而对于代码段来说，这 4 位则分别是 X、 C、 R、 A 位。如下表所示

　

 

 　　X 表示是否可以执行（ eXecutable）。数据段总是不可执行的， X＝0；代码段总是可以执行的，因此， X＝1。

　　对于数据段来说， E 位指示段的扩展方向。 E＝0 是向上扩展的，也就是向高地址方向扩展的，是普通的数据段； E＝1 是向下扩展的，也就是向低地址方向扩展的，通常是堆栈段。

　　W 位指示段的读写属性，或者说段是否可写， W＝0 的段是不允许写入的，否则会引发处理器异常中断； W＝1的段是可以正常写入的。

　　对于代码段来说， C 位指示段是否为特权级依从的（ Conforming）。 C＝0 表示非依从的代码段，这样的代码段可以从与它特权级相同的代码段调用，或者通过门调用； C＝1 表示允许从低特权级的程序转移到该段执行。

　　 R 位指示代码段是否允许读出。代码段总是可以执行的，但是，为了防止程序被破坏，它是不能写入的。至于是否有读出的可能，由 R 位指定。 R＝0 表示不能读出，如果企图去读一个 R＝0 的代码段，会引发处理器异常中断；如果 R＝1，则代码段是可以读出的，即可以把这个段的内容当成 ROM 一样使用。

　　也许有人会问，既然代码段是不可读的，那处理器怎么从里面取指令执行呢？事实上，这里的R属性并非用来限制处理器， 而是用来限制程序和指令的行为。

　　 数据段和代码段的 A 位是已访问位，用于指示它所指向的段最近是否被访问过。在描述符创建的时候，应该清零。之后，每当该段被访问时，处理器自动将该位置“ 1”。

 　　七、总结

　　GDT|LDT是进入保护模式必须了解的基础之一，其是保护模式中进行寻址的关键，也是以后理解代码跳转的基础，必须要熟练。