Linux0.11内核--32位保护模式GDT(全局描述符表)

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),而不象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长的段积存器装入这个段描述符。但Intel为了保持向后兼容,将段积存器仍然规定为16-bit(尽管每个段积存器事实上有一个64-bit长的不可见部分,但对于程序员来说,段积存器就是16-bit的),那么很明显,我们无法通过16-bit长度的段积存器来直接引用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,我们随后再讨论。

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的入口地址装入此积存器,从此以后,CPU就根据此积存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。

GDT是Protected Mode所必须的数据结构,也是唯一的——不应该,也不可能有多个。另外,正象它的名字(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。

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),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。

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——这一点和刚才所讨论的通过段积存器引用段的模式是一样的。

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。

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,我们这里不详细讨论它。

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。

以上摘自互动百科

GDT的结构图如下:

Linux0.11内核--32位保护模式GDT(全局描述符表)_第1张图片

GG=0时,段限长的20位为实际段限长,最大限长为2^20=1MB

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


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4GBB=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ESPB=0时使用16位操作数,堆栈指针用SP

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

type : 类型

type<8时

Linux0.11内核--32位保护模式GDT(全局描述符表)_第2张图片

type>=8时

Linux0.11内核--32位保护模式GDT(全局描述符表)_第3张图片

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