x86保护模式——全局描述符表GDT详解

1 - GDT作用

GDT全称Global Descriptor Table，是x86保护模式下的一个重要数据结构，在保护模式下，GDT在内存中有且只有一个。GDT的数据结构是一个描述符数组，每个描述符8个字节，可以存放在内存当中任意位置：

其中，addr相当于GDT的基地址，GDT的总长度（单位字节）为GDT界限。

在实模式中，CPU通过段地址和段偏移量寻址。其中段地址保存到段寄存器，包含：CS、SS、DS、ES、FS、GS。段偏移量可以保存到IP、BX、SI、DI寄存器。在汇编代码mov ds:[si], ax中，会将AX寄存器的数据写入到物理内存地址DS * 16 + SI中。

而在保护模式下，也是通过段寄存器和段偏移量寻址，但是此时段寄存器保存的数据意义不同了。
此时的CS和SS寄存器后13位相当于GDT表中某个描述符的索引，即段选择子。第2位存储了TI值（0代表GDT，1代表LDT），第0、1位存储了当前的特权级（CPL）。

例如在保护模式下执行汇编代码mov ds:[si], ax的大致步骤如下：

1. 首先CPU需要查找GDT在内存中位置，GDT的位置从GDTR寄存器中直接获取
2. 然后根据DS寄存器得到目标段描述符的物理地址
3. 计算出描述符中的段基址的值加上SI寄存器存储的偏移量的结果，该结果为目标物理地址
4. 将AX寄存器中的数据写入到目标物理地址

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2 - GDTR寄存器

CPU切换到保护模式前，需要准备好GDT数据结构，并执行LGDT指令，将GDT基地址和界限传入到GDTR寄存器。

GDTR寄存器长度为6字节（48位），前两个字节为GDT界限，后4个字节为GDT表的基地址。所以说，GDT最多只能拥有8192个描述符（65536 / 8）。
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一旦切换到保护模式，一般不会更改GDTR寄存器的内容。

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3 - GDT段描述符结构

一个GDT段描述符占用8个字节，包含三个部分：

• 段基址（32位），占据描述符的第16～39位和第55位～63位，前者存储低16位，后者存储高16位
• 段界限（20位），占据描述符的第0～15位和第48～51位，前者存储低16位，后者存储高4位。
• 段属性（12位），占据描述符的第39～47位和第49～55位，段属性可以细分为8种：TYPE属性、S属性、DPL属性、P属性、AVL属性、L属性、D/B属性和G属性。

下面介绍各个属性的作用：

S属性

S属性存储了描述符的类型

• $S=0$ 时，该描述符对应的段是系统段（System Segment）。
• $S=1$ 时，该描述符对应的段是数据段（Data Segment）或者代码段（Code Segment）

TYPE属性

TYPE属性存储段的类型信息，该属性的意义随着S属性不同而不同。
当 $S=1$ （该段为数据段或代码段）时，需要分为两种情况：

• 当TYPE属性第三位为0时，代表该段为数据段，第0～2位的作用为：

  位	作用	值为0时	值为1时
  2	段的增长方向	向上增长	向下增长（例如栈段）
  1	段的写权限	只读	可读可写
  0	段的访问标记	该段未被访问过	该段已被访问过

  （第0位对应描述符的第43位，第1位对应第42位，以此类推）
• 当TYPE属性第三位为1时，代表该段为代码段，第0～2位的作用为：

  位	作用	值为0时	值为1时
  2	一致代码段标记	不是一致代码段	是一致代码段
  1	段的读权限	只能执行	可读、可执行
  0	段的访问标记	该段未被访问过	该段已被访问过

  一致代码段的“一致”意思是：当CPU执行jmp等指令将CS寄存器指向该代码段时，如果当前的特权级低于该代码段的特权级，那么当前的特权级会被延续下去（简单的说就是可以被低特权级的用户直接访问的代码），如果当前的特权级高于该代码段的特权级，那么会触发常规保护错误（可以理解为内核态下不允许直接执行用户态的代码）。
  如果不是一致代码段并且该代码段的特权级不等于（高于和低于都不行）当前的特权级，那么会引发常规保护错误。

当 $S=0$ （该段为系统段）时：

TYPE的值（16进制）	TYPE的值（二进制）	解释
0x1	0 0 0 1	可用286TSS
0x2	0 0 1 0	该段存储了局部描述符表（LDT）
0x3	0 0 1 1	忙的286TSS
0x4	0 1 0 0	286调用门
0x5	0 1 0 1	任务门
0x6	0 1 1 0	286中断门
0x7	0 1 1 1	286陷阱门
0x9	1 0 0 1	可用386TSS
0xB	1 0 1 1	忙的386TSS
0xC	1 1 0 0	386调用门
0xE	1 1 1 0	386中断门
0xF	1 1 1 1	386陷阱门

（其余值均为未定义）

DPL属性

DPL属性占2个比特，记录了访问段所需要的特权级，特权级范围为0～3，越小特权级越高。

P属性

P属性标记了该段是否存在：

• $P=0$ 时，该段在内存中不存在
• $P=1$ 时，该段在内存中存在

尝试访问一个在内存中不存在的段会触发段不存在错误（#NP）

AVL属性

AVL属性占1个比特，该属性的意义可由操作系统、应用程序自行定义。
Intel保证该位不会被占用作为其他用途。

L属性

该属性仅在IA-32e模式下有意义，它标记了该段是否为64位代码段。
当$L=1$ 时，表示该段是64位代码段。
如果设置了L属性为1，则必须保证D属性为0。

D/B属性

D/B属性中的D/B全称 Default operation size / Default stack pointer size / Upper bound。
该属性的意义随着段描述符是代码段（Code Segment）、向下扩展数据段（Expand-down Data Segment）还是栈段（Stack Segment）而有所不同。

• 代码段（S属性为1，TYPE属性第三位为1）
  如果对应的是代码段，那么该位称之为D属性（D flag）。如果设置了该属性，那么会被视为32位代码段执行；如果没有设置，那么会被视为16位代码段执行。

• 栈段（被SS寄存器指向的数据段）
  该情况下称之为B属性。如果设置了该属性，那么在执行堆栈访问指令（例如PUSH、POP指令）时采用32位堆栈指针寄存器（ESP寄存器），如果没有设置，那么采用16位堆栈指针寄存器（SP寄存器）。

• 向下扩展的数据段
  该情况下称之为B属性。如果设置了该属性，段的上界为4GB，否则为64KB。

G属性

G属性记录了段界限的粒度：

• $G=0$ 时，段界限的粒度为字节
• $G=1$ 时，段界限的粒度为4KB

例如，当$G=0$ 并且描述符中的段界限值为$10000$，那么该段的界限为10000字节，如果$G=1$，那么该段的界限值为40000KB。

所以说，当$G=0$ 时，一个段的最大界限值为1MB（因为段界限只能用20位表示，$2^{20}=1048576$），最小为1字节（段的大小等于段界限值加1）。
当$G=1$ 时，最大界限值为4GB，最小为4KB。

在访问段（除栈段）时，如果超出了段的界限，那么会触发常规保护错误（#GP）
如果访问栈段超出了界限，那么会产生堆栈错误（#SS）

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案例学习

实现保护模式下打印红色的Hello, world（不依赖操作系统和BIOS中断服务）。

首先定义单个描述符的数据结构，用NASM汇编宏可以表示为

; 描述符
; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3
	dw	%2 & 0FFFFh				; 段界限 1				(2 字节)
	dw	%1 & 0FFFFh				; 段基址 1				(2 字节)
	db	(%1 >> 16) & 0FFh			; 段基址 2				(1 字节)
	dw	((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)	; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2		(2 字节)
	db	(%1 >> 24) & 0FFh			; 段基址 3				(1 字节)
%endmacro 

定义段属性常量：

DA_DR		EQU	90h	; 存在的只读数据段类型值
DA_DRW		EQU	92h	; 存在的可读写数据段属性值
DA_DRWA		EQU	93h	; 存在的已访问可读写数据段类型值
DA_C		EQU	98h	; 存在的只执行代码段属性值
DA_CR		EQU	9Ah	; 存在的可执行可读代码段属性值
DA_CCO		EQU	9Ch	; 存在的只执行一致代码段属性值
DA_CCOR		EQU	9Eh	; 存在的可执行可读一致代码段属性值

定义三个描述符：

• 负责打印字符串的代码段

  DESC_CODE: Descriptor 0, CODE32_LEN - 1, DA_C + DA_32
  

  此处段基址暂时设置为0，在实模式下动态设置
• 存放需要打印的字符串（Hello, world字符串）的数据段

  DESC_DATA: Descriptor 0, STRING_LEN - 1, DA_DR
  

  同样设置为0，在实模式下动态设置
• 显存映射到内存的数据段（固定在0xB8000，如果不懂可以百度），并且该段要设置成可写

  DESC_VIDEO: Descriptor 0xB8000, 0xFFFF, DA_DRW
  

定义GDTR寄存器的数据：

GdtLen equ $ - DESC_GDT  ; GDT表的长度
GdtPtr dw GdtLen  ; GDT界限
       dd 0       ; GDT基址，暂时设置为0，需要动态设置

定义段选择子：

DataSelector equ DESC_DATA - DESC_GDT
CodeSelector equ DESC_CODE - DESC_GDT
VideoSelector equ DESC_VIDEO - DESC_GDT

因为TI和DPL都为0，且正好占据3位，所以只需要将描述符的地址减去基址就可以得到索引了（等同于左移3位）

然后是实模式下的初始化代码，主要完成三件事：

1. 初始化段描述符
2. 初始化GDT的基址，并存放到GDTR寄存器
3. 切换到保护模式（打开A20地址线，将CR0寄存器第0位设置为1），并跳转到负责打印字符串的代码段。

代码如下：

%include "pm.inc"

org 0x7C00
jmp _main_16

[SECTION .gdt]
DESC_GDT: Descriptor 0, 0, 0   ;该描述符仅用来计算下面三个描述符的地址
DESC_VIDEO: Descriptor 0xB8000, 0xFFFF, DA_DRW
DESC_DATA: Descriptor 0, STRING_LEN - 1, DA_DR
DESC_CODE: Descriptor 0, CODE32_LEN - 1, DA_C + DA_32

GdtLen equ $ - DESC_GDT
GdtPtr dw GdtLen
       dd 0

DataSelector equ DESC_DATA - DESC_GDT
CodeSelector equ DESC_CODE - DESC_GDT
VideoSelector equ DESC_VIDEO - DESC_GDT

[SECTION .s16]
[BITS 16]
_main_16:
	; 初始化DS/ES/SS/SP寄存器
	mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00
 	; 初始化段描述符
	call near _init_desc

	; 初始化GDT基址
	xor eax, eax
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, DESC_GDT
    mov dword [GdtPtr + 2], eax

	lgdt [GdtPtr]

	cli
	in al, 0x92
    or al, 00000010b
    out 0x92, al

	mov eax, cr0
	or eax, 1
	mov cr0, eax
	; 跳转到代码段
	jmp dword CodeSelector:0

_init_desc:
	xor eax, eax
	mov ax, cs
	shl eax, 4
	add eax, _main_32

	mov di, DESC_CODE
	call near _init_desc_base_address

	xor eax, eax
	mov ax, cs
	shl eax, 4
	add eax, STRING

	mov di, DESC_DATA
	call near _init_desc_base_address
	ret


_init_desc_base_address:
	mov word [di + 2], ax
	shr eax, 16
	mov byte [di + 4], al
    mov byte [di + 7], ah
	ret

最后是打印字符串的32位代码段：

[SECTION .s32]
[BITS 32]
_main_32:
    mov ax, VideoSelector
    mov gs, ax
    mov esi, 0xA0
 
    mov ax, DataSelector
    mov ds, ax
    mov edi, 0

    mov ecx, STRING_LEN

    print_loop:
        mov al, ds:[edi]
        mov ah, 0xC
        mov word gs:[esi], ax
        add esi, 2
        inc edi
        loop print_loop

    jmp $

CODE32_LEN equ $ - _main_32

[SECTION .s32]
[BITS 32]
STRING: db 'Hello, world'
STRING_LEN equ $ - STRING

完整代码：

pm.inc

DA_DR		EQU	90h	; 存在的只读数据段类型值
DA_DRW		EQU	92h	; 存在的可读写数据段属性值
DA_DRWA		EQU	93h	; 存在的已访问可读写数据段类型值
DA_C		EQU	98h	; 存在的只执行代码段属性值
DA_CR		EQU	9Ah	; 存在的可执行可读代码段属性值
DA_CCO		EQU	9Ch	; 存在的只执行一致代码段属性值
DA_CCOR		EQU	9Eh	; 存在的可执行可读一致代码段属性值

; 宏 ------------------------------------------------------------------------------------------------------
;
; 描述符
; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3
	dw	%2 & 0FFFFh				; 段界限 1				(2 字节)
	dw	%1 & 0FFFFh				; 段基址 1				(2 字节)
	db	(%1 >> 16) & 0FFh			; 段基址 2				(1 字节)
	dw	((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)	; 属性 1 + 段界限 2 + 属性 2		(2 字节)
	db	(%1 >> 24) & 0FFh			; 段基址 3				(1 字节)
%endmacro 

boot.asm：

%include "pm.inc"

org 0x7C00
jmp _main_16

[SECTION .gdt]
DESC_GDT: Descriptor 0, 0, 0
DESC_VIDEO: Descriptor 0xB8000, 0xFFFF, DA_DRW
DESC_DATA: Descriptor 0, STRING_LEN - 1, DA_DR
DESC_CODE: Descriptor 0, CODE32_LEN - 1, DA_C + DA_32

GdtLen equ $ - DESC_GDT
GdtPtr dw GdtLen
       dd 0

DataSelector equ DESC_DATA - DESC_GDT
CodeSelector equ DESC_CODE - DESC_GDT
VideoSelector equ DESC_VIDEO - DESC_GDT

[SECTION .s16]
[BITS 16]
_main_16:
	mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00

	call near _init_desc

	; 设置段基址
	xor eax, eax
    mov ax, ds
    shl eax, 4
    add eax, DESC_GDT
    mov dword [GdtPtr + 2], eax

	lgdt [GdtPtr]

	cli
	in al, 0x92
    or al, 00000010b
    out 0x92, al

	mov eax, cr0
	or eax, 1
	mov cr0, eax

	jmp dword CodeSelector:0

_init_desc:
	xor eax, eax
	mov ax, cs
	shl eax, 4
	add eax, _main_32

	mov di, DESC_CODE
	call near _init_desc_base_address

	xor eax, eax
	mov ax, cs
	shl eax, 4
	add eax, STRING

	mov di, DESC_DATA
	call near _init_desc_base_address
	ret


_init_desc_base_address:
	mov word [di + 2], ax
	shr eax, 16
	mov byte [di + 4], al
    mov byte [di + 7], ah
	ret

[SECTION .s32]
[BITS 32]
_main_32:
    mov ax, VideoSelector
    mov gs, ax
    mov esi, 0xA0
 
    mov ax, DataSelector
    mov ds, ax
    mov edi, 0

    mov ecx, STRING_LEN

    print_loop:
        mov al, ds:[edi]
        mov ah, 0xC  ;设置成红色
        mov word gs:[esi], ax
        add esi, 2
        inc edi
        loop print_loop

    jmp $

CODE32_LEN equ $ - _main_32

[SECTION .s32]
[BITS 32]
STRING: db 'Hello, world'
STRING_LEN equ $ - STRING

times 290 db 0
dw 0xAA55

编译：

NASM -f bin -o boot.com boot.asm

生成IMG软盘文件镜像：

dd if=boot.com of=boot.img bs=512 count=1
dd if=/dev/zero of=/tmp/empty.img bs=512 count=2880
dd if=/tmp/empty.img of=boot.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879

使用VMWare虚拟机，添加软盘设备并启动，运行结果：