3-段选择子与段描述符结构
看完了上一篇，我已经猜到了你一脸懵逼的表情。什么段寄存器，什么段选择子，什么段描述符，你这讲的都是啥啊！！！
0. 回顾
先来回顾一下，上一篇讲解了段寄存器，它是 CPU 中的一块存储数据的地方，共有 96 位。然后我们只能看得见其中的 16 位，剩下的 80 位是被隐藏起来的。本篇要讲的就是这 80 位的来源。
1. 段描述符和段选择子
我想 C 语言你应该是学了很久了，那么我来定义一个数组。
// 一个 QWORD 是一个 8 字节的整数
QWORD gdt[1024];
很明显，这是一个能容纳 1024 个元素的数组。现在我来定义：
- gdt 数组中的每个元素都是一个段描述符
- 数组的索引号是段选择子
- 这个 gdt 数组被称为 gdt 表
只不过……，只不过这个段选择子，可能不会直接就表示成你想要的索引号，0就是0，5就是5，它稍微有些区别。
另外，段描述符，就是一个 8 字节的整数，可是这个整数，包含的信息量有点大。后面我们要做的，就是破译这个整数。
既然如此，后文自然是重点解析段选择子和段描述符，打通通往操作系统之路。
2. 段描述符与段选择子的结构
2.1 段选择子结构
段选择子就是一个数字，一共有16位，结构如下:
| 1 | 0 | 字节
|7654321076543 2 10| 比特
|-------------|-|--| 占位
| INDEX |T|R | 含义
| |I|P |
| | |L |
- INDEX：在GDT数组或LDT数组的索引号
- TI：Table Indicator,这个值为0表示查找GDT，1则查找LDT
- RPL：请求特权级。以什么样的权限去访问段。
2.2 段描述符结构
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | 字节
|76543210|7 6 5 4 3210 |7 65 4 3210|76543210|76543210|76543210|76543210|76543210| 比特
|--------|-|-|-|-|---- |-|--|-|----|--------|--------|--------|--------|--------| 占位
| BASE |G|D|0|A|LIMIT|P|D |S|TYPE|<------- BASE 23-0 ------>|<-- LIMIT 15-0 ->| 含义
| 31-24 | |/| |V|19-16| |P |
|B| |L| | |L |
- BASE: 段基址，由上图中的两部分(BASE 31-24 和 BASE 23-0)组成
- G：LIMIT的单位，该位 0 表示单位是字节，1表示单位是 4KB
- D/B: 该位为 0 表示这是一个 16 位的段，1 表示这是一个 32 位段
- AVL: 该位是用户位，可以被用户自由使用
- LIMIT: 段的界限，单位由 G 位决定。数值上（经过单位换算后的值）等于段的长度（字节）- 1。
- P: 段存在位，该位为 0 表示该段不存在，为 1 表示存在。
- DPL：段权限
- S: 该位为 1 表示这是一个数据段或者代码段。为 0 表示这是一个系统段（比如调用门，中断门等）
- TYPE: 根据 S 位的结果，再次对段类型进行细分。
段描述符安装在 GDT 或者 LDT 数组中，可以在 WinDbg 中使用命令 r gdtr来查看 GDT 基址在哪里。
有关段描述符属性的具体细节，后文陆续给出。
Windows 操作系统并没有使用 LDT 数组。所以后面查的表基本上是 GDT。
3. 实验——查看段描述符
- 在 WinDbg 中调试 xp
r gdtr 查看 GDT 表的基址，使用 dq 表示以 8 字节单元显示内存单元的数据。命令 r 表示显示寄存器的值，gdtr 也是 CPU 中的一个寄存器，它保存了 GDT 的基址。
4. 修改段寄存器
mov指令修改段寄存器
例1：
mov ax, 0x20
mov ds, ax
例2：
mov ax, 0x10
mov ds, ax
上面这两个例子直接在 OD 中写会比较方便。具体操作方法是先用 OD 随意打开一个 exe 文件，然后双击第一行，就可以改代码了。执行的时候，选择单步执行，快捷键是 F8. 注意，是虚拟机里的 OD。以后的实验也是。如果你还不习惯 OD，上面的代码也可以放到 VC6.0 中，注意，使用
__asm {}把汇编代码包围起来。
lds, les, lfs, lgs, lss
除了可以使用 mov指令修改段寄存器，也可以使用les、lds等指令修改段寄存器。
代码：
int main() {
char buffer[6] = {0};
__asm {
// 高 2 字节加载到 ES 寄存器，低 4 字节复制到 ecx 寄存器。fword 表示 6 字节。
// LDS/LSS/LFS/LGS 用法是类似的。没有LCS指令，要修改CS，需要使用其它指令，这里就不给出。
// 这行指令是有坑的，不一定可以执行成功，取决于buffer中的值。
les ecx, fword ptr ds:[buffer]
}
return 0;
}
上面的代码，可以在虚拟机的 VC 6.0 中进行。
5. 如何把段描述符填充到段选择子
在第1篇中讲到过，段寄存器一共有 96 位，其中 16 可见部分来源于段选择子的索引部分。剩下 80 位来源于 GDT 表。
下面来分析一下，如何把 0x1B 、0x23 这两个选择子对应的描述符填充到段寄存器。
做这个练习的时候，先不要问这些字段是什么含义，只要把这些字段的值查出来就行了。
原始数据：
|--地址--|-------------16进制值---------------|
8003f000 00000000`00000000 00cf9b00`0000ffff
8003f010 00cf9300`0000ffff 00cffb00`0000ffff
8003f020 00cff300`0000ffff 80008b04`200020ab
8003f030 ffc093df`f0000001 0040f300`00000fff
- 0x1B
0x1B = 0000 0000 0001 1011b
索引号：0000 0000 0001 1= 3 (查找gdt[3])
RPL: 11b = 3
TI: 0 (查找 GDT 表)
查找到的 GDT 描述符为：gdt[3] = 00cffb00`0000ffff
段寄存器结构：
selector = 0x001B
attribute = 0xcffb (G = 1 DB = 1 P = 1 DPL = 3 S = 1 TYPE = 1011(非一致代码段，可读已访问过))
base = 0x00000000
limit = 0xffffffff
- 0x23
0x23 = 0000 0000 0010 0011b
索引号：0000 0000 0010 0 = 4
TI: 0 (查找 GDT 表)
RPL: 11b = 3
查找到的 GDT 描述符为：gdt[4] = 00cff300`0000ffff
段寄存器结构：
selector = 0x23
attribute = 0xcff3 (G = 1 DB = 1 P = 1 DPL = 3 S = 1 TYPE = 0011(可读可写向上扩展的数据段))
base = 0x00000000
limit = 0xffffffff
这里最麻烦的应该是分析 limit 了。
5.1 如何分析 limit
limit 的含义是这个段的大小。实际上这么说的点不准确。limit 应该描述为，段大小再减去1字节。(这里的 limit 是换算后的 limit)。后面我用大写的 LIMIT 表示段描述符中的 20bit LIMIT。
如果粒度 G=0，LIMIT= 0x3ff，这意味着该段的大小是 0x3ff+1=0x400 字节。如果 G=1，那意味着该段的大小是(0x3ff+1)*4KB=0x400000字节，所以换算后的 limit = 0x400000-1=0x003fffff.
再举个例子。LIMIT=0xfffff, G=1,则该段的大小是 (0xfffff+1)*4KB=0x100000*0x1000=0x100000000字节，所以换算后的 limit=0x100000000-1=0xffffffff
- limit 简算法
如果 G = 0，把段描述符中的 20 bit LIMIT取出来，比如
0x003ff，然后在前面补0至32bit，即limit = 0x000003ff.
如果 G=1，把段描述符中的 20 bit LIMIT取出来，比如0x003ff，然后在后面补f至 32bit, 即LIMIT = 0x003fffff
6. 总结
本篇主要讲解了段寄存器 中的数据来源。上篇实验中，给出了几个实验，当时我们只是把另一个段寄存器中的数据读入到寄存器 ax(16bit)，然后把 ax 代入到了 ds，可是 ax 明明只有 16 位啊，而 ds 有 96 位。
CPU必然在背后帮我们做了一些事情，它从 GDT 表中取出对应的段描述符，经过分析后自动的填写的了段寄存器中。这个过程，是需要大家深刻理解和掌握的。