全局描述符表GDT

Posted 千里之行,始于足下。

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了全局描述符表GDT相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

v2-1089bf810224a8e1ac3e6b9c5d674e44_1200x500

写在前面

添油加醋系列第二弹——剖析GDT

头文件:https://github.com/bajdcc/MiniOS/blob/master/include/gdt.h

实现:https://github.com/bajdcc/MiniOS/blob/master/src/kernel/gdt.c

话说C语言的话除了刷刷OJ外,就是用来实现操作系统这个大头了。C语言比C++少了很多很多臃肿的语法特性,写起来非常优美(至少写操作系统是这样的)。虽说C++有许多的奇技淫巧,一个算法有N种实现方法,但这会让选择恐惧症患者(比如我)难堪,比如说一个类要怎样写啊等等,,抛开其他不谈,假如一个语言的语法特性越少,学起来可能越简单(刚试过lua语法很简单)。OK废话不多说,进入本章主题(涉及OS的资料很杂很偏,如有错误望海涵)。

GDT的构成

这个网址不错(英文的):Global Descriptor Table

首先,根据网上资料,GDT(全局描述符表)又叫段描述符表,暂且就这样认为吧,如有异议可以提出来。

一个GDT可能是这样的(GDT与LDT - Lan\'Sir - 博客频道 - CSDN.NET):

v2-6d7ed4310b1767e534fb1c8b69ca276d_hd

同样也是这样的(Global Descriptor Table):

v2-7d368769d159149aa35949405a91d08d_hd

在代码中它又是这样:

// 全局描述符表结构 http://www.cnblogs.com/hicjiajia/archive/2012/05/25/2518684.html
// base: 基址(注意,base的byte是分散开的)
// limit: 寻址最大范围 tells the maximum addressable unit
// flags: 标志位 见上面的AC_AC等
// access: 访问权限
struct gdt_entry {
    uint16_t limit_low;
    uint16_t base_low;
    uint8_t base_middle;
    uint8_t access;
    unsigned limit_high: 4;
    unsigned flags: 4;
    uint8_t base_high;
} __attribute__((packed));

这时你的内心OS:

答案是——它们都是GDT。。

关于C语言的问题:首先,可能有些童鞋不知道struct里那些冒号是神马意思。(C语言 struct结构体的变量声明加冒号)这里叫作“位域”,就是占几个二进制位。同时,它又涉及内存对齐的概念(C语言 结构体的内存对齐问题与位域)。涉及__attribute__((packed))的概念(__attribute__ 你知多少?)它是手动设置对齐大小。

众所周知,一个字节byte是八个bit,那么结构体中有两个4bit的成员,不可能用16bit去容纳它们吧~让它们互相挤挤,节省空间,何乐而不为。

可能看到这里,已经花了好多时间了……没办法,OS的内容非常多,同时GCC的一些怪异偏僻用法又不得不去领会,所以只能一步步来,慢慢理解,急不得。

至于GDT为什么这样描述呢,我自创行不行?一个字——标准,你想改,可能你电脑里的硬件设施不答应……

GDT的存在意义

GDT 与 LDT - hicjiajia - 博客园)描述得很清楚。

全局描述符表GDT(Global Descriptor Table)在整个系统中,全局描述符表GDT只有一张(一个处理器对应一个GDT),GDT可以被放在内存的任何位置,但CPU必须知道GDT的入口,也就是基地址放在哪里,Intel的设计者门提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址,程序员将GDT设定在内存中某个位置之后,可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此寄存器,从此以后,CPU就根据此寄存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。GDTR中存放的是GDT在内存中的基地址和其表长界限
也就是说,GDT是全局的,存放在内存中的某个位置,而这个位置是由你来指定给CPU的,换句话说,你来钦定!

设置GDT

现在知道了GDT的struct构成(就是一个个数组元素),那么我们要给CPU的就是一个gdt_entry数组地址啦~

那么设置gdt_entry的方法如下:

void gdt_install(uint8_t num, uint32_t base, uint32_t limit, uint8_t access, uint8_t flags) {

    /* Setup the descriptor base address */
    gdt[num].base_low = (base & 0xffff);
    gdt[num].base_middle = (base >> 16) & 0xff;
    gdt[num].base_high = (base >> 24) & 0xff;

    /* Setup the descriptor limits */
    gdt[num].limit_low = (limit & 0xffff);
    gdt[num].limit_high = ((limit >> 16) & 0x0f);

    /* Finally, set up the granularity and access flags */
    gdt[num].flags = flags;

    access |= AC_RE; // 设置保留位为1
    gdt[num].access = access;
}


通过实例认识它:
// 宏定义

#define AC_AC 0x1       // 可访问 access
#define AC_RW 0x2       // [代码]可读;[数据]可写 readable for code selector & writeable for data selector
#define AC_DC 0x4       // 方向位 direction
#define AC_EX 0x8       // 可执行 executable, code segment
#define AC_RE 0x10      // 保留位 reserve
#define AC_PR 0x80      // 有效位 persent in memory

// 特权位: 01100000b
#define AC_DPL_KERN 0x0  // RING 0 kernel level
#define AC_DPL_USER 0x60 // RING 3 user level

#define GDT_GR  0x8     // 页面粒度 page granularity, limit in 4k blocks
#define GDT_SZ  0x4     // 大小位 size bt, 32 bit protect mode

// gdt selector 选择子
#define SEL_KCODE   0x1 // 内核代码段
#define SEL_KDATA   0x2 // 内核数据段
#define SEL_UCODE   0x3 // 用户代码段
#define SEL_UDATA   0x4 // 用户数据段
#define SEL_TSS     0x5 // 任务状态段 task state segment http://wiki.osdev.org/TSS

// RPL 请求特权等级 request privilege level
#define RPL_KERN    0x0
#define RPL_USER    0x3

// CPL 当前特权等级 current privilege level
#define CPL_KERN    0x0
#define CPL_USER    0x3

========================================================

/* Setup the GDT pointer and limit */
gp.limit = (sizeof(struct gdt_entry) * NGDT) - 1;
gp.base = (uint32_t)&gdt;

/* null descriptor */
gdt_install(0, 0, 0, 0, 0);
/* kernel code segment type: code addr: 0 limit: 4G gran: 4KB sz: 32bit */
gdt_install(SEL_KCODE, 0, 0xfffff, AC_RW|AC_EX|AC_DPL_KERN|AC_PR, GDT_GR|GDT_SZ);
/* kernel data segment type: data addr: 0 limit: 4G gran: 4KB sz: bit 32bit */
gdt_install(SEL_KDATA, 0, 0xfffff, AC_RW|AC_DPL_KERN|AC_PR, GDT_GR|GDT_SZ);
/* user code segment type: code addr: 0 limit: 4G gran: 4KB sz: 32bit */
gdt_install(SEL_UCODE, 0, 0xfffff, AC_RW|AC_EX|AC_DPL_USER|AC_PR, GDT_GR|GDT_SZ);
/* user code segment type: data addr: 0 limit: 4G gran: 4KB sz: 32bit */
gdt_install(SEL_UDATA, 0, 0xfffff, AC_RW|AC_DPL_USER|AC_PR, GDT_GR|GDT_SZ);

我的理解是,gdt_install的参数:(段选择子索引号/见题图,基址起始,长度,访问权限,GDT flags)。虽然上述例子中基址起始地址和长度都是一样的(原项目https://github.com/SilverRainZ/OS677是这样写的,可能有点问题),但是访问权限中有AC_EX和AC_DPL_KERN(ring0)/AC_DPL_USER(ring3)的变化,说明每个段的权限是不同的。这些段管理的是同一片内存,只是由于当前索引号的不同,访问/修改内存的权限也不同。

GDT 与 LDT - hicjiajia - 博客园)讲述了分段管理和分页管理:

分段管理可以把虚拟地址转换成线性地址,而分页管理可以进一步将线性地址转换成物理地址。

(根据段选择子找到)段基指 + 偏移地址 => 线性地址

线性地址 (通过页表) => 物理地址

通过将GDT告诉给CPU后,CPU就知道了操作系统中段的设置,从而可以通过段选择子得到线性地址,在后面实现分页管理后,可进一步将线性地址转换为物理地址(不过当前连物理 址有多大都没法知道呢,在后面会解决)。

段选择子

v2-c9ea9406faa3314831f527ef6a0a8d29_hd

GDT 与 LDT - hicjiajia - 博客园)介绍:

段选择子包括三部分:描述符索引(index)、TI(指示从GDT还是LDT中找)、请求特权级(RPL)。

  1. index部分表示所需要的段的描述符在描述符表的位置,由这个位置再根据在GDTR中存储的描述符表基址就可以找到相应的描述符gdt_entry。然后用描述符gdt_entry中的段基址SEL加上逻辑地址OFFSET就可以转换成线性地址SEL:OFFSET(看下面给的例子应该就是它们的和SEL+OFFSET)
  2. 段选择子中的TI值只有一位0或1,0代表选择子是在GDT选择,1代表选择子是在LDT选择。
  3. 请求特权级(RPL)则代表选择子的特权级,共有4个特权级(0级、1级、2级、3级),0级最高。关于特权级的说明:任务中的每一个段都有一个特定的级别。每当一个程序试图访问某一个段时,就将该程序所拥有的特权级与要访问的特权级进行比较,以决定能否访问该段。系统约定,CPU只能访问同一特权级或级别较低特权级的段

例如:

给出逻辑地址:21h:12345678h,需要将其转换为线性地址
a. 选择子SEL=21h=0000000000100 0 01b,他代表的意思是:选择子的index=4即100b,选择GDT中的第4个描述符;TI=0代表选择子是在GDT选择;左后的01b代表特权级RPL=1(因此有SEL=n<<3,n是索引号)
b. OFFSET=12345678h,若此时GDT第四个描述符中描述的段基址(Base)为11111111h,则线性地址=11111111h+12345678h=23456789h

任务状态段TSS

任务寄存器(TR)用于寻址一个特殊的任务状态段(Task State Segment,TSS)。TSS中包含着当前执行任务的重要信息。

TR寄存器用于存放当前任务TSS段的16位段选择符、32位基地址、16位段长度和描述符属性值。它引用GDT表中的一个TSS类型的描述符。指令LTR和STR分别用于加载和保存TR寄存器的段选择符部分。当使用LTR指令把选择符加载进任务寄存器时,TSS描述符中的段基地址、段限长度以及描述符属性会被自动加载到任务寄存器中。当执行任务切换时,处理器会把新任务的TSS的段选择符和段描述符自动加载进任务寄存器TR中。

它的初始化和设置:

void tss_init() {
    gdt_install(SEL_TSS, (uint32_t)&tss, sizeof(tss),AC_PR|AC_AC|AC_EX, GDT_GR);
    /* for tss, access_reverse bit is 1 */
    gdt[5].access &= ~AC_RE;
}

// 装载TSS
void tss_install() {
    __asm__ volatile("ltr %%ax" : : "a"((SEL_TSS << 3)));
}

// 设置TSS
void tss_set(uint16_t ss0, uint32_t esp0) {
    // 清空TSS
    memset((void *)&tss, 0, sizeof(tss));
    tss.ss0 = ss0;
    tss.esp0 = esp0;
    tss.iopb_off = sizeof(tss);
}

跟GDT也差不了多少,只是GDT_SZ没有了,也指定了tss的地址,并设置gdt_entry的保留位为1(至于为啥我没有仔细查)。至于__asm__ volatile的GCC在C语言中内嵌汇编 asm __volatile__我也没全部搞明白怎么用。SEL_TSS << 3的话要参考选择子的构成,它高13位是索引,所以要乘8。

关于ltr指令(设置TSS结构中堆栈信息的 ltr 指令):

在任务内发生特权级变换时堆栈也随着自动切换,外层堆栈指针保存在内层堆栈中,而内层堆栈指针存放在当前任务的TSS中。所以,在从外层向内层变换时,要访问TSS(从内层向外层转移时不需要访问TSS,而只需访问内层栈中保存的栈指针)。
LTR指令是专门用于装载任务状态段寄存器TR的指令。该指令的操作数是对应TSS段描述符的选择子。LTR指令从GDT中取出相应的TSS段描述符,把TSS段描述符的基地址和界限等信息装入TR的高速缓冲寄存器中。

TSS的构成在https://github.com/bajdcc/MiniOS/blob/master/include/idt.h中(看下面的英文注释/Task State Segment,就是说SS0、ESP0比较重要)。

// 任务状态段 task state segment http://wiki.osdev.org/TSS
// The only interesting fields are SS0 and ESP0.
//   SS0 gets the kernel datasegment descriptor (e.g. 0x10 if the third entry in your GDT describes your kernel\'s data)
//   ESP0 gets the value the stack-pointer shall get at a system call
//   IOPB may get the value sizeof(TSS) (which is 104) if you don\'t plan to use this io-bitmap further (according to mystran in http://forum.osdev.org/viewtopic.php?t=13678)

// http://blog.csdn.net/huybin_wang/article/details/2161886
// TSS的使用是为了解决调用门中特权级变换时堆栈发生的变化

// http://www.kancloud.cn/wizardforcel/intel-80386-ref-manual/123838
/*
    TSS 状态段由两部分组成:
    1、 动态部分(处理器在每次任务切换时会设置这些字段值)
        通用寄存器(EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI)
        段寄存器(ES,CS,SS,DS,FS,GS)
        状态寄存器(EFLAGS)
        指令指针(EIP)
        前一个执行的任务的TSS段的选择子(只有当要返回时才更新)
    2、 静态字段(处理器读取,但从不更改)
        任务的LDT选择子
        页目录基址寄存器(PDBR)(当启用分页时,只读)
        内层堆栈指针,特权级0-2
        T-位,指示了处理器在任务切换时是否引发一个调试异常
        I/O 位图基址
*/
struct tss_entry {
    uint32_t link;
    uint32_t esp0;
    uint32_t ss0;
    uint32_t esp1;
    uint32_t ss1;
    uint32_t esp2;
    uint32_t ss2;
    uint32_t cr3;
    uint32_t eip;
    uint32_t eflags;
    uint32_t eax;
    uint32_t ecx;
    uint32_t edx;
    uint32_t ebx;
    uint32_t esp;
    uint32_t ebp;
    uint32_t esi;
    uint32_t edi;
    uint32_t es;
    uint32_t cs;
    uint32_t ss;
    uint32_t ds;
    uint32_t fs;
    uint32_t gs;
    uint32_t ldtr;
    uint16_t padding1;
    uint16_t iopb_off;
} __attribute__ ((packed));

阶段性总结

涉及OS的内容真是庞大,单单一个GDT就涉及巨量的知识,包括结构体定义、汇编指令、GCC黑魔法、参数的使用等,还涉及了TSS,目标仅仅是实现分段管理。而后面还有中断管理、物理内存管理、虚拟内存管理等一系列内容,篇幅绝对不比本文少,真令人望洋兴叹。

原始项目OS67中也存在着一些错误,有些错误像是单词拼写等我已经纠正了,还有些如软盘访问我去参考了网上的资料,与OS67的不一致,但我没采用OS67的。毕竟OS67也是其作者自己摸索出来的,让我跳过了许多坑。。不过我想后面的进程管理还是得自己写才能体会更深。

既然OS的内容很杂很多,所以也只能挑一些重点的讲讲了,不可能面面俱到,在后面的编写/借鉴中,还是要以查资料为主,给源码附上参考文章的地址,方便阅读。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25867829备份。

以上是关于全局描述符表GDT的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

GDT,LDT,GDTR,LDTR

Linux 0.11-重新设置idt和gdt-08

从零开始写 OS 内核

进入保护模式

My first blog: GDT与基本描述符的结构

14课 局部段描述符的使用