《80X86汇编语言程序设计教程》十九 操作系统类指令与输入输出保护

Posted 2020-10-15

1、  通常只在操作系统代码中使用，80386支持4个特权等级，操作系统指令也可分3种：实模式和任何特权级下可执行指令、实模式及特权级0下可执行的指令和仅在保护模式下执行的指令。

　　1）  实模式和任何特权级下可执行的指令

　　　　a）存储全局和中断描述符表寄存器指令

　　　　　　GDT与IDT整个系统各只有一张，它们的定位信息分别保存在GDTR与IDTR中，这两个寄存器的值可以被保存。须注意，LDT表示任务私有，存储LDTR值的指令不属于这一类。

　　　　　　i）存储全局描述符表寄存器指令：SGDT  DST

　　　　　　　　DST是48位（6字节）存储器操作数，执行后GDTR的16位界限值存入DST低字，而GDTR中32位基地址存入DST高双字。对标志位无影响。

　　　　　　ii）存储中断描述符表寄存器指令：SIDT  DST

　　　　　　　　与“SGDT  DST”类似。

　　　　b）存储机器状态字指令：SMSW  DST

　　　　　　DST可以是16位通用寄存器或存储单元。对标志位无影响。

　　　　　　说明：为了兼容80286指令集（386的CR0低字节等同于286机器状态字），在386中，存储机器字应该使用存储CR0寄存器指令。

　　2）  实模式及特权级0下可执行的指令

　　　　关键寄存器的设置指令等，在保护模式下CPL不为0的指令执行它们将引发错误码为0的通用保护故障。虚拟8086模式下（CPL = 3）同样如此。

　　　　a）清任务切换标志指令：CLTS

　　　　　　任务切换时，CR0的TS位（任务切换标志位）自动被置1（参考“《80X86汇编语言程序设计教程》十二 任务状态段、控制门和控制转移”），该指令功能是把TS标志位清0。不影响其它标志位。

　　　　b）暂停指令：HLT

　　　　　　该指令使处理器暂停执行，只有在接受一个已经启用的中断，或者让系统复位，才重新启动。对标志位没有影响。

　　　　c）装载全局描述符表寄存器指令：LGDT   SRC

　　　　　　SRC是48位（6字节）存储器操作数，执行后伪描述符SRC（PDESC结构）的低字送GDTR低字（段界限），高双字送GDTR高双字（段基址）。对标志位无影响。

　　　　d）装载中断描述符表寄存器指令：LIDT  SRC

　　　　　　与“LGDTR”类似。

　　　　e）装载机器状态字指令：LMSW  SRC

　　　　　　SRC可以是16位通用寄存器或存储单元。该指令将SRC装入机器状态字（CR0的低16位），不影响标志位。同样，是为了兼容286，386不应该用它。

　　　　f）控制寄存器数据传送指令：MOV  DST,SRC

　　　　　　实现386控制寄存器和32位通用寄存器之间的数据传送。所以，DST和SRC可以是3个控制寄存器（CR0、CR2、CR3---参考“《80X86汇编语言程序设计教程》八 80386程序设计基础”）和任一32位通用寄存器，但不能同时为控制寄存器。对标志位门影响。

　　　　g）调试寄存器数据传送指令

　　　　　　规则同上。调试寄存器为DR0～DR7（参考“《80X86汇编语言程序设计教程》八 80386程序设计基础”）。

　　　　h）测试寄存器数据传送指令

　　　　　　规则同上。测试寄存器为TR6和TR7（参考“《80X86汇编语言程序设计教程》八 80386程序设计基础”）。

　　3）  只能在保护模式下执行的指令

　　　　只能在保护模式下执行，在实模式下执行将引起非法操作码故障（向量号6）。

　　　　a）装载局部描述符表寄存器指令：LLDT  SRC

　　　　　　SRC可以为16位通用寄存器或存储单元（代表的选择子必须指示GDT中类型为LDT的描述符，为0则表示空选择子，及不使用LDT），不影响标志位。CPL不为0时（错误码为0）、选择子不指示GDT中描述符或描述符类型不是LDT时（  错误码由该选择子构成），执行它将产生通用保护故障。

　　　　b）存储局部描述符表寄存器指令：SLDT  DST

　　　　　　规则同上。

　　　　c）装载和存储任务寄存器指令

　　　　　　任务寄存器TR指示当前任务状态段TSS（参考“《80X86汇编语言程序设计教程》十二 任务状态段、控制门和控制转移”）。随着任务的切换而切换，如果任务嵌套，那么TR原值作为链接字保存在新任务TSS中。

　　　　　　i） 装载任务寄存器指令：LTR  SRC

　　　　　　　　SRC为16位通用寄存器或存储单元。SRC指示的选择子不能为空，必须索引位于GDT中的描述符，且类型为TSS。该指令不影响标志位。CPL不为0时（错误码为0）、选择子不指示GDT中描述符或描述符类型不是LDT时（错误码由该选择子构成），执行它将产生通用保护故障。

　　　　　　ii）存储任务寄存器指令：STR  DST

　　　　　　　　DST规则同上，不影响标志位。

　　　　d）调整申请特权级指令：ARPL  OPRD1,OPRD2

　　　　　　OPRD1为16位通用寄存器或存储单元，OPRD2为16位通用寄存器。该指令用选择子OPRD2的申请特权级（RPL）去检查选择子OPRD1的RPL，如果OPRD1.RPL < OPRD2.RPL，那么ZF = 1，OPRD1.RPL = OPRD2.RPL；否则ZF = 0。二者都可为空，不影响其它标志位。

　　　　e）装载存取权指令：LAR  OPRD1,OPRD2

　　　　　　两操作数都可以为16位或32位通用寄存器，OPRD2还可以是存储单元，但它们尺寸必须一样。如果选择子OPRD2（32位则使用低16位）所指示描述符满足下述条件，那么ZF = 1，并把描述符属性字段装入OPRD1；否则ZF = 0，OPRD1不变。

　　　　　　i）在描述符表范围内

　　　　　　ii）为存储段描述符或系统段描述符，或任务门、调用门描述符

　　　　　　iii）CPL和OPRD2.RPL都不大于OPRD2.DPL

　　　　　　描述符参考“《80X86汇编语言程序设计教程》九 分段管理机制及纯DOS环境搭建”与“《80X86汇编语言程序设计教程》十二 任务状态段、控制门和控制转移”。结果是高4字节与00FFXFF00相与的结果，X表示未定义，如果OPRD1为16位，那么只取结果低2字节（无G位、AVL位）。除ZF不影响其它标志位。

　　　　f）装载段界限指令：LSL  OPRD1,OPRD2

　　　　　　规则同上，区别在于转载的是段界限字段且条件第二点限制更加严格，不能为门描述符。在满足条件下，装载到OPRD1的OPRD2所指示描述符的界限字段值以字节为单位。如果描述符中界限字段以4K为单位（G = 1），那么装入到OPRD1时左移12位，空出的位全部填1。如果使用16位操作数，只有段界限低16位被装载到OPRD1。除ZF不影响其它标志位。

　　　　g）读写检验指令

　　　　　　检查在当前特权级上指定的段是否能读写，从而避免不必要的异常。

　　　　　　i）读检验指令：VERR  OPRD

　　　　　　　　OPRD可以是16位或32位通用寄存器和存储单元。如果为32位则使用低16位，功能是判断OPRD选择子指示的段在当前CPL是否可读，如果选择子合法，且在当前CPL可读，那么ZF置1，否则ZF清0。除ZF不影响其它标志位。

　　　　　　ii）写检验指令：VERW  OPRD

　　　　　　　　规则同上，只不过检查的属性是是否可写。

　　4）  特权指令

　　　　保护模式下只有CPL = 0才能执行的指令，否则引发通用保护异常。特权指令在构造完善保护机制上起重要作用。总结如下：

 

指令	功能	指令	功能
CLTS	清除CR0的TS位	LTR	装入TR
HLT	停机	MOV  CRn,reg	装入控制寄存器
LGDT	装入GDTR	MOV  reg,CRn	保存控制寄存器
LIDT	装入IDTR	MOV  DRn,reg	装入测试寄存器
LLDT	装入LDTR	MOV  reg,DRn	保存测试寄存器
LMSW	装入MSW（CR0低16位）

 

　　　　可见，设置GDTR、IDTR和LDTR是特权指令，而存储它们不是。而设置和存储控制和测试寄存器都是特权指令。

 

 

2、  输入/输出保护

　　1）  输入/输出保护

　　　　a）I/O敏感指令

　　　　　　输入/输出特权级（I/O Privilege Level）规定可执行I/O有关指令和访问I/O空间地址的最外层特权级（在标志寄存器EFLAGS中，参考“《80X86汇编语言程序设计教程》八 80386程序设计基础”）。I/O许可位图（在TSS中）规定I/O空间哪些地址可以在任何特权级执行的代码访问。I/O敏感指令如下：

 

指令	功能	保护模式下执行条件
CLI	清除EFLAGS中IF位	CPL <= IOPL
STI	设置EFLAGS中IF位	CPL <= IOPL
IN	从I/O地址读出数据	CPL <= IOPL或I/O位图允许
INS	从I/O地址读出字符串	CPL <= IOPL或I/O位图允许
OUT	从I/O地址写入数据	CPL <= IOPL或I/O位图允许
OUTS	从I/O地址写入字符串	CPL <= IOPL或I/O位图允许

 

　　　　　　如果权限不够，则引发通用保护异常。每个任务有自己的EFLAGS与TSS，所以各个任务IOPL可以有不同，并且可定义不同的I/O许可位图。注意：实模式下全部可执行。

　　　　b）I/O许可位图

　　　　　　由二进制位串组成，每一位对应一个I/O地址，如果m位为0，那么I/O地址m可由本任何特权等级代码的程序访问，否则只能在IOPL特权级或更内层特权级执行的程序访问，不然引发通用保护异常。 一条I/O指令最多涉及4个I/O地址（如IN  EAX,71H），只有涉及到的全部I/O许可位为0才能顺利访问。386支持I/O地址空间大小64K，所以I/O许可位有效部分最大为8KB。当前任务使用的I/O许可位图在TSS低端64K（用16位偏移，最大为64K）字节内，位串以字节为存储单位，所以要存储整个I/O许可位图时，偏移尽量保证低于64K – 8K = 56K。

　　　　c）I/O访问许可检查细节

　　　　　　步骤如下：

　　　　　　i）CPL <= IOPL是否成立，成立则直接跳转到第8步直接进行I/O访问

　　　　　　ii）取得位图开始偏移（TSS的I/O许可位图I偏移字段---TSS内偏移66H字节单元）

　　　　　　iii）计算字节偏移（I/O地址值右移3位---即除以8）

　　　　　　iv）计算位偏移以形成屏蔽码值（I/O地址右移出来的3位放字单元）

　　　　　　v）字节是否越界，是则引发通用保护异常（位图偏移+字节偏移+1<=段界限）

　　　　　　vi）从位图中读出两个字节（读写最快）

　　　　　　vii）进行位检查，不通过则引发通用保护异常

　　　　　　ix）进行I/O访问

　　　　　　在读取时，总是读取两个字节，由于I/O访问最多同时访问4个连续端口，最多也是分布在连续2个字节之内，所以在判断是否越界时要也仅要加1处理，为了在判断I/O许可位图最高字节上述流程同样适用，必须在I/O许可位图最后添加一个全1字节0ffh。I/O许可位图开始偏移加上8K所得值与TSS界限值二者较小者决定I/O许可位图有效末端偏移。当许可位图开始偏移大于56K时，将有部分位越过位图界限，从而无法因无法访问而触发通用保护异常（那部分位被认为是全1）。利用这个特点，可以大大减小I/O许可位图占用的存储单元，从而大大减小TSS。如：

 

1 ;演示任务任务状态段(TSS)
2 DemoTSSSeg    segment    para    use16
3     DTSS    TASKSS<>                      ;TSS低端部分
4             db    100h/8 dup(0ffh)        ;对应I/O端口00H～0FFH
5             db    100h/8 dup(0)           ;对应I/O端口100H～1FFH
6             db    0ffh                    ;IO许可位结束标志
7     DemoTSSLen = $ - DemoTSSSeg
8 DemoTSSSeg    

 

　　　　　　上面的TSS只含有许可位图最初的200H位，对应端口0～1FFH，而其它位都被认为是1。之前实例中使用的格式，高度区只带IO许可位结束标志表示所有的位都为1。

　　2）  重要标志保护

　　　　386对EFLAGS标志中的IOPL、IF和VM这3个字段的处理比较特殊，只有较高权限等级的代码才能通过IRET、POPF、CLI和STI等指令来改变它们。下面是不同特权等级下对3个字段的处理情况：

 

特权等级	标志字段
	VM	IOPL	IF
CPL = 0	可变（除POPF指令外）	可变	可变
0 < CPL <= IOPL	不变	不变	可变
CPL > IOPL	不变	不变	不变

 

　　　　可见，只有CPL = 0的情况下才能修改VM和IOPL，必须在IOPL同级或者更内层才能修改IF。须注意，在特权级不满足的条件下，其中IRET和POPF指令试图更改这3个字段并不引发异常，只是试图的修改操作并不会被成功执行。此外，POPF总是不能改变VM位，而PUSHF指令总是把0压入到VM位。