【x86汇编语言：从实模式到保护模式笔记】第十四章 任务和特权级保护
本章目标
1、通过演示如何创建一个任务，并使之投入运行来学习任务的概念及组成要素，包括任务的全局空间和局部空间、TSS、LDT、特权级等。
2、必须了解特权级不是指任务的特权级，而是组成任务的各个部分的特权级。比如：任务的全局部分一般是0、1和2特权级别的，任务的私有部分一般是3特权级别的。
3、必须清楚CPL、DPL和RPL的含义，以及不同特权级别之间的控制转移规则。
4、熟悉调用门的用法。
5、掌握一些在Bochs下调试程序的新手段。
6、学习一些新的x86处理器命令，包括lldt、ltr、pushf/pushfd、popf/popfd、ret n/retf n、arpl等。同时了解像jmp和call这样的传统指令是如何被赋予一些新的功能的。
14.1 任务的隔离和特权级保护
14.1.1 任务、任务的LDT和TSS
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任务：程序是记录在载体上的指令和数据，其正在执行的一个副本，叫做任务（Task）。
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LDT：为了有效地在任务之间实施隔离，处理器建议每个任务都应当具有自己的描述符表，称为局部描述符表（Local Description Table）。
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TSS：为了保存任务的状态，并在下次重新执行时恢复它们，每个任务应当用一个额外的内存区域保存相关信息，这叫做任务状态段（Task State Segment）。
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LDTR：处理器使用局部描述符表寄存器（LDT Register：LDTR）来追踪和访问这些LDT
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TR：处理器用TR寄存器来指向当前任务的TSS。
14.1.2 全局空间和局部空间
每个任务实际上包括两个部分：全局部分和局部部分。全局部分是所有任务共有的，含有操作系统的软件和库程序，以及可以调用的系统服务和数据；私有部分则是每个任务各自的数据和代码，与任务所要解决的具体任务问题有关，彼此并不相同。
因此，全局地址空间是用全局描述符GDT来指定的，而局部地址空间则是由每个任务私有的局部描述符表LDT来定义的。
14.1.3 特权级保护概念
1、处理器特权级设置
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Intel处理器可以识别4个特权级别，分别是0到3，较大的数值意味着较低的特权级别
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DPL：描述符特权级，代表着其所描述的段的特权级别
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CPL：当处理器正在一个代码段中取指令和执行指令时，那个代码段的特权级叫做当前特权级（Current Privilege Level，CPL）。正在执行的这个代码段，其选择子位于
段寄存器CS中，其最低两位就是当前特权级数值
2、特权指令
那些只有在当前特权级CPL为0时才能执行的指令，称为特权指令（Privilege Instructions）
典型的特权指令：lgdt、lldt、ltr、mov、停机指令hlt等
- 处理器还允许对各个特权级别所能执行的I/O操作进行控制，通常这指的是端口访问的许可权。位13和位12是IOPL位，也就是输入输出特权级，它代表着当前任务的I/O特权级别。
3、特权级低的应用程序调用特权级高的操作系统例程
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将高特权级的代码段定义为依从的
- 通过段描述符的TYPE字段的C字段来设置
- 依从代码段不是在它的DPL特权级上运行的，而是在调用程序的特权级上运行。即，当前控制转移到依从代码段上执行时，不改变当前特权级CPL
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使用门（Gate）
- 门是另外一种形式的描述符，称为门描述符，简称门。和段描述符不同，段描述符用于描述符内存段，而门描述符则用于描述可执行的代码
- 类别：调用门，中断门/陷阱门，任务门
- “jmp far 调用门”不改变当前特权级别；“call far 调用门”当前特权级会提升到目标代码段的特权级别
4、基本特权检查规则
- 将控制直接转移到非依从代码段
CPL = 目标代码段描述符的DPL
RPL = 目标代码段描述符的DPL
- 将控制直接转移到依从代码段
CPL ≥ 目标代码段描述符的DPL
RPL ≥ 目标代码段描述符的DPL
- 高特权级别的程序可以访问低特权级别的数据段，但低特权级别的程序不能访问高特权级别的数据段
CPL ≤ 目标数据段描述符的DPL
RPL ≤ 目标数据段描述符的DPL
- 处理器要求，任何时候，栈段的特权级别必须和当前特权级CPL相同
CPL = 目标栈段描述符的DPL
RPL = 目标栈段描述符的DPL
- 控制通过调用门来转移
需要两个条件
1、当前特权级CPL和请求特权级RPL高于，或者和调用门描述符特权级DPL相同
CPL ≤ 调用门描述符的DPL
RPL ≤ 调用门描述符的DPL
2、当前特权级低于，或者和目标代码段描述符特权级DPL相同，即数值上
CPL ≥ 目标代码段描述符的DPL
14.2 代码清单14-1
14.3 内核程序初始化
本章继续使用上一章的主引导程序，因此内核加载后的GDT布局和上一章一致。
14.3.1 调用门
调用门用于在不同特权级的程序之间进行控制转移。本质上，它只是一个描述符，一个不同于代码段和数据段的描述符，可以安装在GDT或者LDT中。
- 例程所在代码段的选择子：有了段选择子，就能访问描述符表得到代码段的基地址。之后，对代码段描述符有效性、段界限和特权级进行检查。
- TYPE字段：标识门的类型，“1100”表示调用门
- P字段：表示有效位，通常应该为“1”。当它为“0”时，调用这样的门会导致处理器产生异常中断，这是一个故障中断。可以用来统计调用门的使用频率。
- 参数个数字段：指代压入栈中的参数，寄存器中的参数不计入。
- DPL字段：调用门的特权级。例如调用门的DPL为2，那么，只有特权级为0、1、2的程序才允许使用该门。
栈切换
- 通过call far指令通过调用门来实施控制转移时，会改变当前特权级CPL。会导致栈的特权级也会改变，因此需要每个任务除了自己固有的栈之外，还必须额外定义几套栈。
- 额外创建的栈，其描述符位于任务自己的LDT中，同时，还要在任务的TSS中登记。
14.3.2 调用门的安装和测试
将内核的描述符表中，各个描述符对应的段基地址，修改为调用门选择子。
14.4 加载用户程序并创建任务
14.4.1 任务控制块和TCB链
按处理器的要求标准，要使一个程序成为“任务”，并且能够参与任务切换和调度，必须要有LDT和TSS。
对于操作系统来说，内核应当为每一个任务创建一个内存区域，来记录任务的信息和状态，称为任务控制块（TCB），可能在不同操作系统中有不同的称呼，但是必定是有一个类似的结构的。
14.4.2 用栈传递过程参数
栈的访问有两种
- 隐式的，由处理器在执行诸如push、pop、call、ret等指令时自动进行。隐式地访问栈需要使用指令指针寄存器ESP。
- 显式的，不依赖于先进后出的机制，而是把栈看成是一般的数据段，直接访问其中的内容。需要使用到栈基址寄存器EBP。
14.4.3 加载用户程序
从硬盘中将程序加载到内存中，但现在还要分配LDT，同时将程序在内存中的位置记录到TCB中。即，以下3件事：
- 分配一块内存，作为LDT来用，为创建用户程序各个段的描述符做准备。
- 将LDT的大小和起始线性地址登记在任务控制块TCB中。
- 分配内存并加载用户程序，并将它的大小和起始线性地址登记到TCB中。
14.4.4 创建局部描述符
流程和创建GDT一样。
14.4.5 重定位U-SALT表
和13章的流程一样，不同点在于，传给用户程序的选择子，现在变成了调用门选择子。
14.4.6 创建0、1和2特权级的栈
安装到LDT，并将栈信息登记到TCB中。
14.4.7 安装LDT描述符到GDT中
全局描述符表（GDT）是唯一的，整个系统中只有一个，所以只需要用GDTR寄存器存放其线性基地址和段界限即可；但LDT不同，每个任务一个，所以为了追踪它们，处理器要求在GDT中安装每一个LDT描述符。当要使用这些LDT时，可以用它们的选择子来访问GDT，将LDT描述符加载到LDTR寄存器。
- LDT描述符中的S位固定为0，表示系统的段描述符或者门描述符，以相对于存储器的段描述符（S=1），因为LDT的描述符属于系统的段描述符。
- S=0的前提下，TYPE字段为0010表明这是一个LDT描述符。
14.4.8 任务状态段TSS格式
和LDT一样，必须在全局描述符表（GDT）中创建每个TSS的描述符。
- SS0、SS1和SS2
分别是0、1和2特权级的栈段选择子 - ESP0、ESP1和ESP2
分别是0、1和2特权级栈的栈顶指针 - CR3
和分页内容有关 - 偏移为32~92区域
处理器各个寄存器的快照部分，用于在进行任务切换时，保存处理器的状态以便将来恢复现场。
只要第一次创建时需要填写这些区域， 之后该区域内容由处理器固件进行更改。 - LDT段选择子
当前任务的LDT描述符选择子。该信息在任务切换时使用，在任务运行期间保持不变。 - T
用于软件调试。在多任务的环境中，如果T位是“1”，每次切换到该任务时，将引发一个调试异常中断。这是有益的，调试程序可以接管该中断以显示任务的状态，并执行一些调试操作。 - I/O映射基地址
用于决定当前任务是否可以访问特定的硬件端口。如果该字单元的内容大于或者等于TSS的段界限（在TSS描述符中），则表明没有I/O许可位。
EFLAGS寄存器中的IOPL位决定了当前任务的I/O特权级别。如果当前特权级CPL低于任务的I/O特权级IOPL，也并不意味着所有的硬件端口都对当前任务关上了大门。事实上，处理器的意思是总体上不允许，但个别端口除外。至于个别端口是哪些端口，要找到当前任务TSS，并检索I/O许可位
14.4.9 创建任务状态段TSS
分配内存，以填入TSS的内容。将TSS的基地址和界限登记到任务控制块（TCB）中，将来创建TSS描述符时用得着。
TSS的界限值必须至少为103，任何小于该值的TSS，在执行任务切换时，都会引发处理器异常中断
TSS中，LDT对任务来说并不是必须的，如果没有LDT，这里应该填0
14.4.10 安装TSS描述符到GDT中
必须在GDT中安装TSS描述符。这样做，一方面是为了对TSS进行段和特权级的检查；另一方面，也是执行任务切换的需要。当call far和jmp far指令的操作数是TSS描述符选择子时，处理器执行任务切换操作。
格式和LDT描述符差不多，除了TYPE字段。
TSS描述符中的B位是Busy位。在任务刚刚创建的时候，它应该为二进制的1001，即B位是0，表明任务不忙。当任务开始执行时，或者处于挂起状态（临时被中断执行）时，有处理器固件把B位置1。
14.4.11 带参数的过程返回指令
ret和retf，代操作数的过程返回指令
ret imm16/32
ret imm16/32
;都允许16位和32位的立即数作为操作数，不同之处在于，前者是近返回，后者是远返回。
14.5 用户程序的执行
14.5.1 通过调用门转移控制的完整过程
调用门控制转移流程
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首先，通过调用门实施控制转移，可以使用
jmp far和call far指令，跳转遵循下述规则。指令执行时，描述符选择子必须指向调用门，32位偏移量被忽略。
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call far指令会触发栈切换；jmp far指令不触发栈切换
具体的检查流程就不细说了，只说结果，如下所示
控制返回过程
14.5.2 进入3特权级的用户程序的执行
任务寄存器TR总是指向当前任务的任务状态段（TSS），而LDTR也总是指向当前任务的LDT。TSS是任务的主要标志，因此要使TR寄存器指向TR；而使用LDTR的原因是可以在任务执行期间加速段的访问。
ltr指令和lldt指令
ltr r/m16
lldt r/m16
;操纵数是16位通用寄存器或者一个16位单元的内存地址
;ltr和lldt执行时，处理器首先要检查描述符的有效性，包括审查它是不是TSS或者LDT描述符
本章代码因为只有一个任务，而且是个3特权级的任务，不能用任务切换的方法使它开始运行。即，如何从任务的0特权级全局空间转移到它自己的3特权级空间正常执行？
执行一个远返回指令retf，假装从调用门返回，于是控制转移到用户程序的3特权级代码开始执行。