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一、引入
保护模式下的段寄存器 由 16位的选择器 与 64位的段描述符寄存器 构成
段描述符寄存器: 存储段描述符
选择器:存储段描述符的索引
段寄存器
PS:原先实模式下的各个段寄存器作为保护模式下的段选择器,80486中有6个(即CS,SS,DS,ES,FS,GS)80位的段寄存器。由选择器CS对应表示的段仍为代码段,选择器SS对应表示的段仍为堆栈段。
二、详解
先说明一下概念
(1)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。
基地址指定GDT表中字节0在线性地址空间中的地址,表长度指明GDT表的字节长度值。指令LGDT和SGDT分别用于加载和保存GDTR寄存器的内容。在机器刚加电或处理器复位后,基地址被默认地设置为0,而长度值被设置成0xFFFF。在保护模式初始化过程中必须给GDTR加载一个新值。
GDTR
(2)段选择子(Selector)由GDTR访问全局描述符表是通过“段选择子”(实模式下的段寄存器)来完成的。段选择子是一个16位的寄存器(同实模式下的段寄存器相同)
段选择子
段选择子包括三部分:描述符索引(index)、TI、请求特权级(RPL)。他的index(描述符索引)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。然后用描述符表中的段基址加上逻辑地址(SEL:OFFSET)的OFFSET就可以转换成线性地址,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。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)。
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
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
(3)局部描述符表LDT(Local Descriptor Table)局部描述符表可以有若干张,每个任务可以有一张。我们可以这样理解GDT和LDT:GDT为一级描述符表,LDT为二级描述符表。如图
局部描述符表LDT
LDT和GDT从本质上说是相同的,只是LDT嵌套在GDT之中。LDTR记录局部描述符表的起始位置,与GDTR不同,LDTR的内容是一个段选择子。由于LDT本身同样是一段内存,也是一个段,所以它也有个描述符描述它,这个描述符就存储在GDT中,对应这个表述符也会有一个选择子,LDTR装载的就是这样一个选择子。LDTR可以在程序中随时改变,通过使用lldt指令。如上图,如果装载的是Selector 2则LDTR指向的是表LDT2。举个例子:如果我们想在表LDT2中选择第三个描述符所描述的段的地址12345678h。
1. 首先需要装载LDTR使它指向LDT2 使用指令lldt将Select2装载到LDTR
2. 通过逻辑地址(SEL:OFFSET)访问时SEL的index=3代表选择第三个描述符;TI=1代表选择子是在LDT选择,此时LDTR指向的是LDT2,所以是在LDT2中选择,此时的SEL值为1Ch(二进制为11 1 00b)。OFFSET=12345678h。逻辑地址为1C:12345678h
3. 由SEL选择出描述符,由描述符中的基址(Base)加上OFFSET可得到线性地址,例如基址是11111111h,则线性地址=11111111h+12345678h=23456789h
4. 此时若再想访问LDT1中的第三个描述符,只要使用lldt指令将选择子Selector 1装入再执行2、3两步就可以了(因为此时LDTR又指向了LDT1)
由于每个进程都有自己的一套程序段、数据段、堆栈段,有了局部描述符表则可以将每个进程的程序段、数据段、堆栈段封装在一起,只要改变LDTR就可以实现对不同进程的段进行访问。
当进行任务切换时,处理器会把新任务LDT的段选择符和段描述符自动地加载进LDTR中。在机器加电或处理器复位后,段选择符和基地址被默认地设置为0,而段长度被设置成0xFFFF。
三、实例(对理解非常有用)
1:访问GDT
当TI=0时表示段描述符在GDT中,如上图所示:
①先从GDTR寄存器中获得GDT基址。
②然后再GDT中以段选择器高13位位置索引值得到段描述符。
③段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性,这就得到了段的起始地址(基址),再以基址加上偏移地址yyyyyyyy才得到最后的线性地址。
2:访问LDT
段描述符在LDT中
当TI=1时表示段描述符在LDT中,如上图所示:
①还是先从GDTR寄存器中获得GDT基址。
②从LDTR寄存器中获取LDT所在段的位置索引(LDTR高13位)。
③以这个位置索引在GDT中得到LDT段描述符从而得到LDT段基址。
④用段选择器高13位位置索引值从LDT段中得到段描述符。
⑤段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性,这就得到了段的起始地址(基址),再以基址加上偏移地址yyyyyyyy才得到最后的线性地址。
扩展
除了GDTR、LDTR外还有IDTR和TR
(1)中断描述符表寄存器IDTR
与GDTR的作用类似,IDTR寄存器用于存放中断描述符表IDT的32位线性基地址和16位表长度值。指令LIDT和SIDT分别用于加载和保存IDTR寄存器的内容。在机器刚加电或处理器复位后,基地址被默认地设置为0,而长度值被设置成0xFFFF。
(2)任务寄存器TR
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。
转http://www.voidcn.com/article/p-tjqjfrtq-yk.html
在Protected Mode下,一个重要的必不可少的数据结构就是GDT(Global Descriptor Table)。
为什么要有GDT?我们首先考虑一下在Real Mode下的编程模型:
在Real Mode下,我们对一个内存地址的访问是通过Segment:Offset的方式来进行的,其中Segment是一个段的Base Address,一个Segment的最大长度是64 KB,这是16-bit系统所能表示的最大长度。而Offset则是相对于此Segment Base Address的偏移量。Base Address+Offset就是一个内存绝对地址。由此,我们可以看出,一个段具备两个因素:Base Address和Limit(段的最大长度),而对一个内存地址的访问,则是需要指出:使用哪个段?以及相对于这个段Base Address的Offset,这个Offset应该小于此段的Limit。当然对于16-bit系统,Limit不要指定,默认为最大长度64KB,而 16-bit的Offset也永远不可能大于此Limit。我们在实际编程的时候,使用16-bit段寄存器CS(Code Segment),DS(Data Segment),SS(Stack Segment)来指定Segment,CPU将段积存器中的数值向左偏移4-bit,放到20-bit的地址线上就成为20-bit的Base Address。
到了Protected Mode,内存的管理模式分为两种,段模式和页模式,其中页模式也是基于段模式的。也就是说,Protected Mode的内存管理模式事实上是:纯段模式和段页式。进一步说,段模式是必不可少的,而页模式则是可选的——如果使用页模式,则是段页式;否则这是纯段模式。
既然是这样,我们就先不去考虑页模式。对于段模式来讲,访问一个内存地址仍然使用Segment:Offset的方式,这是很自然的。由于 Protected Mode运行在32-bit系统上,那么Segment的两个因素:Base Address和Limit也都是32位的。IA-32允许将一个段的Base Address设为32-bit所能表示的任何值(Limit则可以被设为32-bit所能表示的,以2^12为倍数的任何指),而不像Real Mode下,一个段的Base Address只能是16的倍数(因为其低4-bit是通过左移运算得来的,只能为0,从而达到使用16-bit段寄存器表示20-bit Base Address的目的),而一个段的Limit只能为固定值64 KB。另外,Protected Mode,顾名思义,又为段模式提供了保护机制,也就说一个段的描述符需要规定对自身的访问权限(Access)。所以,在Protected Mode下,对一个段的描述则包括3方面因素:【Base Address, Limit, Access】,它们加在一起被放在一个64-bit长的数据结构中,被称为段描述符。这种情况下,如果我们直接通过一个64-bit段描述符来引用一个段的时候,就必须使用一个64-bit长的段寄存器装入这个段描述符。但Intel为了保持向后兼容,将段寄存器仍然规定为16-bit(尽管每个段寄存器事实上有一个64-bit长的不可见部分,但对于程序员来说,段寄存器就是16-bit的),那么很明显,我们无法通过16-bit长度的段寄存器来直接引用64-bit的段描述符。
怎么办?解决的方法就是把这些长度为64-bit的段描述符放入一个数组中,而将段寄存器中的值作为下标索引来间接引用(事实上,是将段寄存器中的高13 -bit的内容作为索引)。这个全局的数组就是GDT。事实上,在GDT中存放的不仅仅是段描述符,还有其它描述符,它们都是64-bit长。GDT是Protected Mode所必须的数据结构,也是唯一的。另外,正像它的名字(Global Descriptor Table)所揭示的,它是全局可见的,对任何一个任务而言都是这样。
GDT的构成:
GDT的结构图如下:(GDT表相当于一个64bit的数组)
1、G:Granularity 粒度
(1)、G=0时,段限长的20位为实际段限长,最大限长为2^20=1MB
(2)、G=1时,则实际段限长为20位段限长乘以2^12=4KB,最大限长达到4GB
2、D/B:
当描述符指向的是可执行代码段时,这一位叫做D位,D=1使用32位地址和32/8位操作数,D=0使用16位地址和16/8位操作数。如果指向的是向下扩展的数据段,这一位叫做B位,B=1时段的上界为4GB,B=0时段的上界为64KB。如果指向的是堆栈段,这一位叫做B位,B=1使用32位操作数,堆栈指针用ESP,B=0时使用16位操作数,堆栈指针用SP。
3、DPL:特权级,0为最高特权级,3为最低,表示访问该段时CPU所需处于的最低特权级
4、type : 类型
(1)、type<8时:数据段
(2)、type>=8时:代码段
GDTR是什么?
GDT可以被放在内存的任何位置,那么当程序员通过段寄存器来引用一个段描述符时,CPU必须知道GDT的入口,也就是基地址放在哪里,所以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。
LDT是什么?
除了GDT之外,IA-32还允许程序员构建与GDT类似的数据结构,它们被称作LDT(Local Descriptor Table,局部描述符表),但与GDT不同的是,LDT在系统中可以存在多个,并且从LDT的名字可以得知,LDT不是全局可见的,它们只对引用它们的任务可见,每个任务最多可以拥有一个LDT。另外,每一个LDT自身作为一个段存在,它们的段描述符被放在GDT中。
LDT只是一个可选的数据结构,你完全可以不用它。使用它或许可以带来一些方便性,但同时也带来复杂性,如果你想让你的OS内核保持简洁性,以及可移植性,则最好不要使用它。
LDTR是什么?
IA-32为LDT的入口地址也提供了一个寄存器LDTR,因为在任何时刻只能有一个任务在运行,所以LDT寄存器全局也只需要有一个。如果一个任务拥有自身的LDT,那么当它需要引用自身的LDT时,它需要通过lldt指令将其LDT的段描述符装入此寄存器。lldt指令与lgdt指令不同的时,lgdt指令的操作数是一个32-bit的内存地址,这个内存地址处存放的是一个32-bit GDT的入口地址,以及16-bit的GDT Limit。而lldt指令的操作数是一个16-bit的选择子,这个选择子主要内容是:被装入的LDT的段描述符在GDT中的索引值。
至此,我们可以这样理解GDT和LDT:GDT为一级描述符表,LDT为二级描述符表。如图:
、
例如:如果我们想在表LDT2中选择第三个描述符所描述的段的地址12345678h。
1. 首先需要装载LDTR使它指向LDT2:使用指令lldt将Select2装载到LDTR。
2. 通过逻辑地址(SEL:OFFSET)访问时SEL的index=3代表选择第三个描述符;TI=1代表选择子是在LDT选择,此时LDTR指向的是LDT2,所以是在LDT2中选择,此时的SEL值为1C h(二进制为11 1 00b),OFFSET=12345678h。逻辑地址为1C:12345678h。
3. 由SEL选择出描述符,由描述符中的基址(Base)加上OFFSET可得到线性地址,例如基址是11111111h,则线性地址=11111111h+12345678h=23456789h。
4. 此时若再想访问LDT1中的第三个描述符,只要使用lldt指令将选择子Selector 1装入再执行2、3两步就可以了(因为此时LDTR又指向了LDT1)。
由于每个进程都有自己的一套程序段、数据段、堆栈段,有了局部描述符表则可以将每个进程的程序段、数据段、堆栈段封装在一起,只要改变LDTR就可以实现对不同进程的段进行访问。
段选择子是什么?
引用GDT和LDT中的段描述符所描述的段,是通过一个16-bit的数据结构来实现的,这个数据结构叫做Segment Selector——段选择子。它的高13位作为被引用的段描述符在GDT/LDT中的下标索引,bit 2用来指定被引用段描述符被放在GDT中还是到LDT中,bit 0和bit 1是RPL——请求特权等级,被用来做保护目的。如图所示:
前面所讨论的装入段寄存器中作为GDT/LDT索引的就是Segment Selector,当需要引用一个内存地址时,使用的仍然是Segment:Offset模式,具体操作是:在相应的段寄存器装入Segment Selector,按照这个Segment Selector可以到GDT或LDT中找到相应的Segment Descriptor,这个Segment Descriptor中记录了此段的Base Address,然后加上Offset,就得到了最后的内存地址。
段选择子包括三部分:描述符索引(index)、TI、请求特权级(RPL)。它的index(描述符索引)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。然后用描述符表中的段基址加上逻辑地址(SEL:OFFSET)的OFFSET就可以转换成线性地址,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。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)。
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 转换为线性地址的步骤如下:
(1)、选择子SEL=21h=0000000000100 0 01b 它代表的意思是:选择子的index=4即选择GDT中的第4个描述符;TI=0代表选择子是在GDT选择;最后的01代表特权级RPL=1
(2)、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
关系:
计算机由实模式进入到保护模式要加载gdt,保护模式下的段寄存器由16位的选择器与64位的段描述符寄存器构成。
段描述符寄存器: 存储段描述符;
选择器:存储段描述符的索引;
原先实模式下的各个段寄存器作为保护模式下的段选择器,80486中有6个(即CS,SS,DS,ES,FS,GS)16位的段寄存器
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的入口地址装入此积存器,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。
48bit的GDTR的结构
由GDTR访问GDT是通过“段选择子”(实模式下的段寄存器)来完成的,即:
GDTR(48bit)+Segment Selector(由实模式下的段寄存器充当,16bit)= GDT中的某一项 (64bit)
Tips:
(1)、GDT中的所有描述符(除0项外,包括LDT描述符这种类型的描述符)都指定一个段,GDT中的LDT描述符指定的是一个特殊的段, 这个段中只能存放LDT表,之所以说GDT中一个描述符是一个LDT段的描述符,是因为这个描述符中有属性说明这是一个LDT段.
(2)、
GDTR是一个48位的全局描述符寄存器,高32位存放GDT的基址,低16位存放GDT限长。
LDTR是一个16位的局部描述符寄存器,高13位存放LDT在GDT中的索引值。
GDT类似于一个 “数组” ,“数组元素” 可以是段描述符,也可以是LDT描述符。
例如:
若给定一个逻辑地址是 a:b ,根据逻辑地址的a(段选择符)的T1位确定是选择GDT还是LDT。
a、若是T1位选择GDT,根据GDTR找到GDT的基址,根据a的 3~15位确定它的段描述符X在GDT中的位置(GDTR即基址+a的3-15bit即相对位置):确定段描述符X,再根据段描述符提取出其中包含的段基址信息,段基址+b(段内偏移),最终确定线性地址。
2)若是T1位选择LDT,根据GDTR找到GDT的基址,根据LDTR的高13位确定它的LDTX描述符在GDT中的位置(GDTR基址+LDTR13bit即相对位置):确定LDTX描述符。LDTX描述符可以确定LDT的基址(LDTX描述符确定LDT表在内存中的起始位置),再根据段选择符a确定的相对位置,可以确定LDT中的私有段描述符Y。接下来同上面的:再根据段描述符提取出其中包含的段基址信息,段基址+b(段内偏移),最终确定线性地址。
GDT中包含的段描述符X和LDT中包含的私有段描述符Y,所占空间相同。
GDT中包含的段描述符X和GDT中包含的LDT描述符,所占用空间相同。
结论是:LDT不包含在GDT中。GDT中只是包含了LDT描述符(一个指向LDT起始地址的指针)。