【OS学习笔记】十四 保护模式二：段描述符

上一篇文章初步进入保护模式的学习。首先学习了全局描述符表GDT。点击链接查看上一篇文章：全局描述符表

本篇文章继续学习，GDT中存放的条目：描述符，确切的说是段描述符。学习段描述符的作用以及段描述符的格式。

1、段描述符的格式

实模式和保护模式，在内存访问上是由区别的，在保护模式下，你不能说访问哪个段就访问哪个段，在访问之前，必须在GDT内定义要访问的内存段。这个定义就是段的描述符。

描述符不是用户自己建立的，而是用户程序被操作系统加载时，有操作系统根据用户程序的结构而建立的。用户程序是无法自己修改和建立GDT的。用户程序只能老老实实的在自己的地盘上工作。这个时候操作系统为用户程序建立了几个段（定义了几个段描述符），用户程序就只能在这些段内工作，超出这个范围，或者未按预定的方法访问这些段，都将被处理器阻止。

一旦确定了GDT在内存中的位置，下一步就是确定要访问的段，并在GDT中为这些段定义各自的段描述符。

如下图，每个段描述符都是8字节大小。图中下面是低32位，上面是高32位。

很明显，描述符制定了32位的段起始地址（段基地址），以及20位的段边界。

在32位模式下，段地址与实模式下的段地址不一样。在实模式先段地址不是真正的物理地址，它还需要左移4位。而保护模式下，段地址是32位的线性地址，它就是真实的物理地址（未开启分页功能，分页功能后面学习）。

描述符中段基址和段界限不是连续的。这是历史的问题与兼容的问题。

20位的段界限是用来限制段的扩展范围。

下面来介绍段描述符各个字段的意思。

2、段描述符各个字段的意义

下面的表格列出了上述段描述符的各个位的意思，如果现在不理解这些位也无所谓，后面的学习会慢慢深入理解。

G： 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1M字节，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位单位。这样段的扩展范围是4KB到4GB
S： 类 型 位	当该位是0时，表示是一个系统；为1时，表示是一个代码段或者数据段（栈段也是特殊的数据段）。系统段将在后面的文章中学习
DPL 特权级	这两位用于指定描述符的特权级。共有4中处理器支持的特权级别，分别是0、1、2、3 ，其中0是最高的特权级，3是最低的特权级别。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）这些代码通常是操作系统代码，因此它的特权级最高。每当操作系统加载一个用户程序，它通常都会制定一个低的特权级，比如3特权级。不同特权级的程序是互相隔离的，其访问是严格限制的，而且有些处理器指令只能由0特权级的程序来执行，为的就是安全。在这里，描述符的特权级是用于指定访问该段所必须具有的最低特权级。
P： 段存在位	P位用于指示描述符所对应的段是否存在。一般来说，描述符所对应的段是在内存中。但是当内存空间紧张时，有可能指示建立了描述符，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。另外，同样是在内存空间紧张的情况下，会把很少用到的段换出到硬盘中，腾出空间给当前急需内存的进程使用，这时同样要把P位清零，当再次轮到它执行时，再将其装入内存，然后P位置1。 **P是由处理器负责检查的。**每当通过描述符访问内存段时，如果P位是0，处理器就会产生一个异常中断。通常，该中断处理过程是由操作系统提供的，该处理过程的任务是将该段从硬盘换回内存，并将P位置1。在多用户、多任务的系统中，这是一种常用的虚拟内存调度策略。
D/B: 默认的操作数大小	设置该标志位，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。 该标志位对不同的段有不同的效果。对于代码段，此位称为D位，用于指定指令中默认的的偏移地址和操作数尺寸。D=0时表示指令中的偏移地址或者操作数是16位的。D=1时，表示32位的偏移地址和操作数。对于栈段来说，该位是B位，用于在进行隐式的栈操作中（push，pop，call等），是使用SP寄存器还是使用ESP寄存器。当B=0时，在访问哪个段时，使用SP寄存器，否则就使用ESP寄存器。同时，B位的值，也决定了栈段的上边界。如果B=0，那么栈的上边界是0xFFFF；如果B=1，那么栈段的上边界是0xFFFFFFFF。
L：64位代码段标志	保留此位给64位处理器使用。目前我们将它置0即可
TYPE：描述符子类型	对于数据段来说，这4位分别是X,E,W,A，对于代码段来说这4位分别是X,C,R,A。他们具体的含义见下面的表格。
AVL:软件可以使用的位	通常由操作系统来用，处理器并不使用它。

下面表格是代码段和数据段的TYPE字段

X	E	W	A	描述符类别	含义
0	0	0	X	数据段	只读
0	0	1	X	数据段	读、写
0	1	0	X	数据段	只读，向下扩展
0	1	1	X	数据段	读、写，向下扩展

• X 表示是否可执行。对于数据段，总是不可执行。所以为0
• E 表示段的扩展方向。E=0是向上扩展的。E=1是向下扩展的
• W 指示段的读写属性，W=0是不允许写入的，W=1是可以正常写入的
• A 是已访问位，用于指示它所指向的段最近是否被访问过。

X	C	R	A	描述符类别	含义
1	0	0	X	代码段	只执行
1	0	1	X	代码段	执行、读
1	1	0	X	代码段	只执行、依从的代码段
1	1	1	X	代码段	执行、读、依从的代码段

• X 表示是否可执行。代码段总是可执行，所以为1
• C 指示段是否为特权级依从的。C=0时，表示非依从的代码段，这样的代码段是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时表示允许从低特权级的代码转移到该段执行。
• R 指示代码段是否允许读出。代码段总是可以执行的，但是为了防止程序破坏，它是不允许写入的。至于是否有读出的可能，由R位决定。R=0时表示不能读出。R=1时，则代码段是可以读出的。
• A 是已访问位，用于指示它所指向的段最近是否被访问过。

3、总结

今天学习段描述符的格式，以及段描述符各个字段的含义。

笔记记得不是很全，如果有不懂的可以加我联系方式一起交流。

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