系列目录
- 序篇
- 准备工作
- BIOS 启动到实模式
- GDT 与保护模式
- 虚拟内存初探
- 加载并进入 kernel
- 显示与打印
- 全局描述符表 GDT
- 中断处理
- 虚拟内存完善
- 实现堆和 malloc
- 创建第一个内核线程
- 多线程运行与切换
- 锁与多线程同步
- 进程的实现
- 进入用户态
- 一个简单的文件系统
- 加载可执行程序
- 系统调用的实现
- 键盘驱动
- 运行 shell
扩展并重载 GDT
本篇我们将在 kernel 中重新定义并扩展全局描述符表 GDT，并再次加载它。本篇的内容也会比较简单，更多的是对 x86 相关手册文档的查阅和熟悉。
GDT 在 loader 阶段我们已经初步定义并加载过一次，在那里我们只定义了 kernel 的 code 和 data 段，因为到目前为止，以及在后面相当长的一段时间里，我们始终处于 kernel 空间中，以 CPU 特权级 0 进行运行。但是作为一个 OS，最终是要运行并管理用户程序的，因此 GDT 中还需要加入用户态的 code 和 data 段。
另外我们也希望对前面的 GDT 重新整理一下，毕竟在汇编下比较混乱，很多数据结构管理起来不清晰。
创建 GDT
GDT 以及 segment 相关的知识，是 x86 体系架构的历史遗留产物，非常令人讨厌。但是 Intel 为了历史兼容，又不得不始终保留这些历史包袱。我们也不必花太多心思和脑筋在这上面，只要按照文档规范，把该填都填了，该写的都写了，轻轻带过就可以了。它并不是我们项目的核心部分。
按惯例，先给出代码链接，主要源文件是 src/mem/gdt.c。
关于 GDT 的文档，你可以参考这里。
首先我们需要定义 GDT entry 的数据结构：
struct gdt_entry {
uint16 limit_low;
uint16 base_low;
uint8 base_middle;
uint8 access;
uint8 attributes;
uint8 base_high;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_entry gdt_entry_t;它对应的是这样一个 64 bit 的结构：
其中 base 是指 segment 的内存基址，limit 则是长度，它可以有 1 或者 4KB 两种单位。
其余部分则是图二中展示的一些标志比特位，这里就不多费笔墨了，还是要对着文档仔细校对。
然后我们定义 GDT 表：
static gdt_entry_t gdt_entries[7];我们这里分配了 7 个 entry：
- 第 0 项保留；
- 第一个是
kernel的code segment； - 第二个是
kernel的data segment； - 第三个是 video segment，这个不是必须的，可以无视；
- 第四个是
user的code segment； - 第五个是
user的data segment； - 第六个是
tss；
从第四个开始，都是用户态需要用到的。其中第六个 tss 目前不必深究，后面进入用户态时我们会回过来再细看这部分。
然后我们定义设置 GDT entry 的函数：
static void gdt_set_gate(
int32 num, uint32 base, uint32 limit, uint8 access, uint8 flags) {
gdt_entries[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
gdt_entries[num].base_low = (base & 0xFFFF);
gdt_entries[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
gdt_entries[num].access = access;
gdt_entries[num].attributes = (limit >> 16) & 0x0F;
gdt_entries[num].attributes |= ((flags << 4) & 0xF0);
gdt_entries[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;
}对照着上面那幅图看就可以了。
将 GDT 表中的这些 entry 都设置上：
// kernel code
gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
// kernel data
gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
// video: only 8 pages
gdt_set_gate(3, 0, 7, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
// user code
gdt_set_gate(4, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
// user data
gdt_set_gate(5, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);对比 kernel 和 user 部分的差别，主要是两点：
Access Byte中的Privl：一共两个 bit 位，对kernel来说它是00，而对user则是11，它的含义是DPL (Descriptor Privilege Level)，代表的是访问这个 segment 需要的最小 CPU 特权级。
Limit：因为用户空间限制在了 3GB 以下，所以它的Limit是0xBFFFF，注意Flags的Gr (Granularity)位是 1，所以Limit的 单位是4KB，可以计算得到(0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB；
有了这两点限制，当 CPU 处于用户态时，它就无法访问 3GB 以上的 kernel 空间，这样 segment 机制的作用就发挥出来了。
重新加载 GDT
新的 GDT 准备就绪，接下来就是重新加载它，代码在 src/mem/gdt_load.S。
load_gdt:
mov eax, [esp + 4]
lgdt [eax]
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov ss, ax
mov ax, 0x18
mov gs, ax
jmp 0x08:.flush
.flush:
ret其中 load_gdt 在 C 源文件中声明如下：
extern void load_gdt(gdt_ptr_t*);参数为 GDT 指针：
struct gdt_ptr {
uint16 limit;
uint32 base;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_ptr gdt_ptr_t;用指令 lgdt 加载 GDT 表，然后给各个 data 段寄存器，指向了 kernel data 段，偏移量为 0x10，因为它是 GDT 表中的第二项。
接着用一条 far jmp 指令 jmp 0x08:.flush，刷新了 cs 寄存器，使之指向 kernel code 段。注意 0x08 是因为 kernel code 段是 GDT 表中的第一项。
OK，至此新的 GDT 就加载完毕了。