15 保护模式中的特权级(上)

参考

https://www.cnblogs.com/wanmeishenghuo/tag/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/

https://blog.51cto.com/13475106/category6.html

 

保护模式小结:

  -使用选择子访问段描述符表时,索引值的合法性检测,这个检测是处理器做的

    当索引值越界时,引发异常

    判断规则:索引值*8 + 7 <= 段描述表界限值

段描述表界限值就是段描述表中的地址最大值

  

  -内存段类型合法性检测,使用选择子给相应的段寄存器赋值的时候会进行这个合法性检测

    具备可执行属性的段(代码段)才能加载到CS寄存器

    具备可写属性的段(数据段)才能加载到SS寄存器,加载到SS寄存器的段是栈段

    具备可读属性的段才能加载到DS,ES,FS,GS寄存器

 这里列出来的都是最低的条件

  -代码段和数据段的保护

    处理器每访问一个地址都要确认该地址不超过界限值

    判断规则:

      代码段:IP + 指令长度 <= 代码段界限

      数据段:访问起始地址 + 访问数据长度 <= 数据段界限

    段界限是相对于段基址而言的,而不是绝对物理地址

 注意:

  保护模式中代码中定义的界限值通常为:

    最大偏移地址值(相对于段基址)。

 

实验分析:

正常程序如下:

%include "inc.asm"

org 0x9000

jmp CODE16_SEGMENT

[section .gdt]
; GDT definition
;                                 段基址,       段界限,       段属性
GDT_ENTRY       :     Descriptor    0,            0,           0
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
; 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_RPL0
Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Stack32Selector   equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0

; end of [section .gdt]

TopOfStack16    equ  0x7c00

[section .dat]
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
    DTOS                 db    "D.T.OS!", 0
    DTOS_OFFSET          equ   DTOS - $$
    HELLO_WORLD          db    "Hello World!", 0
    HELLO_WORLD_OFFSET   equ  HELLO_WORLD - $$

Data32SegLen  equ $ - DATA32_SEGMENT

[section .s16]
[bits 16]
CODE16_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, DATA32_SEGMENT
    mov edi, STACK32_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 .s32]
[bits 32]
CODE32_SEGMENT:
    mov ax, VideoSelector
    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
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 12
    mov dl, 33

    call PrintString

    mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 13
    mov dl, 30

    call PrintString

    jmp $

; ds:ebp   --> string address
; bx       --> attribute
; dx       --> dh : row, dl : col
PrintString:
    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

    ret

Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT

[section .gs]
[bits 32]
STACK32_SEGMENT:
    times 1024 * 4 db 0

Stack32SegLen    equ $ - STACK32_SEGMENT
TopOfStack32    equ Stack32SegLen - 1

运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

修改程序如下:

%include "inc.asm"

org 0x9000

jmp CODE16_SEGMENT

[section .gdt]
; GDT definition
;                                 段基址,       段界限,       段属性
GDT_ENTRY       :     Descriptor    0,            0,           0
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
; 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_RPL0
Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
Stack32Selector   equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
ExceptionSelector   equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0

; end of [section .gdt]

TopOfStack16    equ  0x7c00

[section .dat]
[bits 32]
DATA32_SEGMENT:
    DTOS                 db    "D.T.OS!", 0
    DTOS_OFFSET          equ   DTOS - $$
    HELLO_WORLD          db    "Hello World!", 0
    HELLO_WORLD_OFFSET   equ  HELLO_WORLD - $$

Data32SegLen  equ $ - DATA32_SEGMENT

[section .s16]
[bits 16]
CODE16_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, DATA32_SEGMENT
    mov edi, STACK32_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 ExceptionSelector : 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 .s32]
[bits 32]
CODE32_SEGMENT:
    mov ax, VideoSelector
    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
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 12
    mov dl, 33

    call PrintString

    mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
    mov bx, 0x0C
    mov dh, 13
    mov dl, 30

    call PrintString

    jmp $

; ds:ebp   --> string address
; bx       --> attribute
; dx       --> dh : row, dl : col
PrintString:
    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

    ret

Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT

[section .gs]
[bits 32]
STACK32_SEGMENT:
    times 1024 * 4 db 0

Stack32SegLen    equ $ - STACK32_SEGMENT
TopOfStack32    equ Stack32SegLen - 1

我们在第30行新添加了一个段选择子,选择子号是5,而在第8-14行的段描述符表中没有为5的描述符。第95行跳转时我们使用新添加的段选择子,启动bochs,实验结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

15  保护模式中的特权级(上)

15  保护模式中的特权级(上)

15  保护模式中的特权级(上)

 可以看出CPU复位了,因为选择子对用的描述符越界了。

 下面进行属性的实验:

在正常的程序基础上进行修改:

1、修改代码段属性

15  保护模式中的特权级(上)

将第11行的代码段的可执行属性改成可读属性,程序运行崩溃,运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

2、修改栈段属性,将可写属性去掉,只留下可读属性,程序崩溃,如下:

15  保护模式中的特权级(上)

 

15  保护模式中的特权级(上)

可以看到程序在执行第123行的mov ss,ax是崩溃的,因为这时候栈段的属性没有可写了,所以会出错。

3、修改数据段属性,将可读写属性改为可执行属性

15  保护模式中的特权级(上)

 

 运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

 

 可以看到在第129行出错,mov ds,ax导致程序崩溃。

 

下面做界限值的实验:

1、代码段界限修改

15  保护模式中的特权级(上)

将第11行的代码段界限改小一个字节,运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

程序崩溃了,是在执行180行的ret时崩溃的,因为这时候的代码已经超出了界限。

2、修改数据段界限

15  保护模式中的特权级(上)

将第13行的数据段界限改小1个字节,运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

 

 

 这是在执行第158行的打印时崩溃了,当我们打印字符串的最后一个0时,超出了数据段的界限。

 

问题:

保护模式除了利用段界限对内存访问进行保护,是否还提供其他的保护机制?

保护模式中的特权级:

  - X86架构中的保护模式提供了四个特权级(0,1,2,3)

  - 特权级从高到低分别是0,1,2,3(数字越大特权级越低)

linux和window只用到0和3级,即内核态和用户态。

 

特权级的表现形式:

  CPL(Current Privilege Level)

    当前可执行代码段的特权级,由CS寄存器最低2位定义,CS保存的段选择子

  DPL(Descriptor Privilege Level)

    内存段的特权级,在段描述符表中定义

  RPL(Request Privilege Level)

    选择子的特权级,由选择子最低2位定义

 段描述符中的DPL用于标识内存段的特权级,可执行代码访问内存段时必须满足一定的特权级(CPL),否则,处理器将产生异常

可执行代码访问数据段的情形:

  应用程序访问内核的数据,会崩溃,因为内核的数据的DPL是0,应用程序的CPL是3。CPL应该小于等于DPL才可以访问。

 

CPL和DPL的关系:代码段之间的跳转

  保护模式中每一个代码段都定义了一个DPL

  当处理器从A代码段成功跳转到B代码段执行

    跳转之前:CPL = DPLa

    跳转之后:CPL = DPLb

   

保护模式中,每一个数据段都定义了一个DPL

当处理器执行过程中需要访问数据段时:

  CPL <= DPLdata

 

CPL和DPL实验:

首先在inc.asm文件中定义特权级

15  保护模式中的特权级(上)

 

1、修改代码段的DPL

15  保护模式中的特权级(上)

11行将代码段的DPL设置为3,执行结果如下:

 15  保护模式中的特权级(上)

程序崩溃了,提示DPL不等于CPL。

程序进入保护模式后默认的CPL为0,而我们的32位代码段DPL为3。

第88-91行的程序执行完就进入了保护模式,这时的CPL默认为0,在第94行跳转时,从CPL为0向DPL为3跳转就发生了异常。

运行结果告诉我们从CPL为0的代码段不能跳转到DPL位3的代码段。

将DPL改为0,运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

 

 15  保护模式中的特权级(上)

程序正常运行了,这时候CPL等于DPL。从CPL为0的代码段可以跳转到DPL位0的代码段。

2、修改数据段的DPL

15  保护模式中的特权级(上)

 

 15  保护模式中的特权级(上)

程序依然能正常运行,这说明程序在访问数据时,只要CPL小于等于相应数据段的DPL即可。

 

RPL实验:

1、修改代码段选择子的RPL

15  保护模式中的特权级(上)

运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

提示我们RPL > CPL,可见在代码段跳转时,RPL也参与了合法性判断。

将代码段RPL改回0即可正常运行。

2、修改数据段的RPL

15  保护模式中的特权级(上)

 

28行将RPL改为3,运行结果:

15  保护模式中的特权级(上)

再次修改28行的RPL:

15  保护模式中的特权级(上)

运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

可见访问数据段时RPL并没有参与合法性判断。

 

 3、栈段的RPL实验

15  保护模式中的特权级(上)

第14行的栈的DPL改为3,第29行栈的RPL改为3,运行结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

将上述两个特权级都改为0,如下:

15  保护模式中的特权级(上)

结果如下:

15  保护模式中的特权级(上)

都改为0后程序就可以正常运行了。

可见,栈段和数据段的特权级判断使用的规则并不一样。

 

 实验结论:

  处理器进入保护模式后CPL = 0(最高特权级)

  处理器不能从高特权级转换到低特权级执行

  选择子RPL大于对应段描述符的DPL时,产生异常

 

处理器进入保护模式后默认特权级为0,我们必须将它降下来,这样才能从高特权级跳转到低特权级代码执行。从低到高跳转也需要改变特权级。

 

小结:

  保护模式对内存的访问范围有严格定义

  保护模式定义了内存段的特权级(0,1,2,3)

    每个内存段都有固定的特权级(DPL)

    不同代码段之间成功跳转后CPL可能发生改变

    CPL小于或等于数据段DPL才能成功访问数据

 

 后续需要解决的疑问:

15  保护模式中的特权级(上)

 

 

  

  

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