全局描述符表(GDT)
在386平台各种保护措施中最重要的就是全局描述符表(GDT)。GDT为内存的某些部分定义了基本的访问权限。我们可以使用GDT中的一个索引来生成段冲突异常, 让内核终止执行异常的进程。现代操作系统大多使用"分页"的内存模式来实现该功能, 它更具通用性和灵活性。GDT还定义了内存中的的某个部分是可执行程序还是实际的数据。GDT还可定义任务状态段(TSS)。TSS一般在基于硬件的多任务处理中使用, 所以我们在此并不做讨论。需要注意的是TSS并不是启用多任务的唯一方法。
注意GRUB已经为你安装了一个GDT, 如果我们重写了加载GRUB的内存区域, 将会丢弃它的GDT, 这会导致"三重错误(Triple fault)"。简单的说, 它将重置机器。为了防止该问题的发生, 我们应该在已知可以访问的内存中构建自己的GDT, 并告诉处理器它在哪里, 最后使用我们的新索引加载处理器的CS、DS、ES、FS和GS寄存器。CS寄存器就是代码段, 它告诉处理器执行当前代码的访问权限在GDT中的偏移量。DS寄存器的作用类似, 但是数据段, 定义了当前数据的访问权限的偏移量。ES、FS和GS是备用的DS寄存器, 对我们并不重要。
GDT本身是64位的长索引列表。这些索引定义了内存中可访问区域的起始位置和大小界限, 以及与该索引关联的访问权限。通常第一个索引, 0号索引被称为NULL描述符。所以我们不应该将任何的段寄存器设置为0, 否则将导致常见的保护错误, 这也是处理器的保护功能。通用的保护错误和几种异常将在中断服务程序(ISR)那节详细说明。
每个GDT索引还定义了处理器正在运行的当前段是供系统使用的(Ring 0)还是供应用程序使用的(Ring 3)。也有其他Ring级别, 但并不重要。当今主要的操作系统仅使用Ring 0和Ring 3。任何应用程序在尝试访问系统或Ring 0的数据时都会导致异常, 这种保护是为了防止应用程序导致内核崩溃。GDT的Ring级别用于告诉处理器是否允许其执行特殊的特权指令。具有特权的指令只能在更高的Ring级别上运行。例如"cli"和"sti"禁用和启用中断, 如果应用程序被允许使用这两个指令, 它就可以阻止内核的运行。你将在本教程的后续章节中了解更多有关中断的知识。
GDT的描述符组成如下:
- G: 段界限粒度(Granularity)
- G = 0: 长度单位为1字节
- G = 1: 长度单位为4KB
- D: 操作数大小
- 0 = 16bit
- 1 = 32bit
- L: 未使用为0
- AVL: 保留位, 系统软件使用
- P: 存在位, 段是否存在
- 1 = Yes
- 0 = No
- DPL: Ring级别(0到3)
- S: 描述符类型位
- S = 1: 存储段描述符, 数据段/代码段
- S = 0: 系统段描述符/门描述符)
- TYPE: 段类型
在我们的内核教程中, 我们将创建一个包含3个索引的GDT。一个用于''虚拟''描述符充当处理器内存保护功能的NULL段, 一个用于代码段, 一个用于数据段寄存器。使用汇编操作码lgdt告诉处理器我们新的GDT表在哪里。为lgdt提供一个指向48位的专用的全局描述符表寄存器(GDTR)的指针。该寄存器用来保存全局描述符信息, 0-15位表示GDT的边界位置(数值为表的长度-1), 16-47位存放GDT基地址。并且在我们访问GDT中不存在偏移的段时, 希望处理器可以立即创建一般保护错误)。
我们可以使用3个索引的简单数组来定义GDT。对于我们的特殊GDTR指针, 我们只需要声明一个即可。我们称其为gp。创建一个新文件gdt.c。在build.bat中添加一行gcc命令来编译gdt.c, 并将gdt.o添加到LD链接文件列表中。下面这些代码组成了gdt.c的前半部分:
gdt.c
#include <system.h>
/* 定义一个GDT索引. __attribute__((packed))用于防止编译器优化对齐 */
struct gdt_entry
{
unsigned short limit_low;
unsigned short base_low;
unsigned char base_middle;
unsigned char access;
unsigned char granularity;
unsigned char base_high;
} __attribute__((packed));
/* GDTR指针 */
struct gdt_ptr
{
unsigned short limit;
unsigned int base;
} __attribute__((packed));
/* 声明包含3个索引的GDT和GDTR指针gp */
struct gdt_entry gdt[3];
struct gdt_ptr gp;
/* 这是start.asm中的函数, 用来加载新的段寄存器 */
extern void gdt_flush(); gdt_flush()我们还没有定义, 该函数使用上面的GDTR指针来告诉处理器新的GDT所在位置, 并重新加载段寄存器, 最后跳转到我们的新代码段。现在我们在start.asm的stublet下的死循环后面添加下面的代码来定义gdt_flush:
start.asm
; 这将建立我们新的段寄存器
; 通过长跳转来设置CS
global _gdt_flush ; 允许C源程序链接该函数
extern _gp ; 声明_gp为外部变量
_gdt_flush:
lgdt [_gp] ; 用_gp来加载GDT
mov ax, 0x10 ; 0x10是我们数据段在GDT中的偏移地址
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
jmp 0x08:flush2 ; 0x08是代码段的偏移地址, 长跳转
flush2:
ret ; 返回到C程序中 仅为GDT保留内存空间是不够的, 还需要将值写入每个GDT中, 设置gp指针, 再调用gdt_flush进行更新。定义gdt_set_entry()函数, 该函数使用函数参数的移位给GDT每个字段设置值。为了让main.c能够使用这些函数, 别忘了将它们添加到system.h中(至少需要把gdt_install添加进去)。下面为gdt.c的剩下部分:
gdt.c
/* 在全局描述符表中设置描述符 */
void gdt_set_gate(int num, unsigned long base, unsigned long limit, unsigned char access, unsigned char gran)
{
/* 设置描述符基地址 */
gdt[num].base_low = (base & 0xFFFF);
gdt[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
gdt[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;
/* 设置描述符边界 */
gdt[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
gdt[num].granularity = ((limit >> 16) & 0x0F);
/* 最后，设置粒度和访问标志 */
gdt[num].granularity |= (gran & 0xF0);
gdt[num].access = access;
}
/* 由main函数调用
* 设置GDTR指针, 设置GDT的3个索引条码
* 最后调用汇编中的gdt_flush告诉处理器新GDT的位置
* 并跟新新的段寄存器 */
void gdt_install()
{
/* 设置GDT指针和边界 */
gp.limit = (sizeof(struct gdt_entry) * 3) - 1;
gp.base = &gdt;
/* NULL描述符 */
gdt_set_gate(0, 0, 0, 0, 0);
/* 第2个索引是我们的代码段
* 基地址是0, 边界为4GByte, 粒度为4KByte
* 使用32位操作数, 是一个代码段描述符
* 对照本教程中GDT的描述符的表格
* 弄清每个值的含义 */
gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFFFFF, 0x9A, 0xCF);
/* 第3个索引是数据段
* 与代码段几乎相同
* 但access设置为数据段 */
gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFFFFF, 0x92, 0xCF);
/* 清除旧的GDT安装新的GDT */
gdt_flush();
} 现在我们的GDT加载程序的基本结构已经到位, 在将其编译链接到内核中后, 我们需要在main.c中调用gdt_install()才能真正完成工作。在main()函数的第一行添加gdt_install();GDT加载必须最先初始化。现在, 编译你的内核, 并在软盘中对其进行测试, 你不会在屏幕上看到任何变化, 这是一个内部的更改。
下面我们将进入中断描述符表(IDT)！