基于JOS 80x86 的堆栈切换简要分析

基于JOS 80x86 的堆栈切换简要分析

这个问题一直困扰很久，发现还是有点粗心，源头－－堆栈初始化没怎么搞明白．

这里首先强调，一定一定要搞清楚分段和分页保护的机制．

现有分段，后有分页，分页可有可无，看寄存器cr0是否开启PE位（page enable. 在JOS系统的boot.S里就已经开启了）

文章从三个方面对栈进行分析

0.　GDT 全局段寻址描述表

1. 栈的初始化．

2.用户栈到内核栈的切换

3.内核栈到用户栈的切换

0. GDT 全局段寻址描述表

你能看见第0个段这个时候是不允许访问的，GD_KT右移三位变成 (0x8 >> 3 == 1)，第一个段是内核的代码段．可读可执行．第二个是GD_KD 右移三位　(0x10 >> 3 ==  2)第二段．是内核数据段．

第三个GD_UT右移三位(0x18 >> 3 == 3)　第三个段是用户代码段．

第四个GD_UD　右移三位(0x20 >> 3 == 4)　第四个段是用户数据段．

后面的TSS段和我们的主题关系不大，只是任务切换的时候有用．

看过这里之后，嘛嘛再也不用担心别人装逼的时候说＂代码和数据是分离的＂，我听不懂了．

纸老虎！

1.栈的初始化.

首先开机系统开始运行的时候，在boot.S阶段，还没有开启之前，就立马设置好了栈．怎么做的呢？

首先，把ax寄存器异或置0．然后把ax寄存器的值赋值给ds es ss寄存器．

初始的时候，数据段，额外段，堆栈段，都指向第0个段．这时候还没有什么分页机制

段寻址 address == segment : offset == (segment << 4 bits ) + offset　就直接得到物理地址了

而这里选择的是第0个段啊！同志啊，．．．在这个＂原始的荒野＂，你用的地址都是物理地址

接着立马就开启了分页机制，

lgdt指令马上加载我们之前介绍的GDT全局段描述表．

开启分页机制，我们也就进入了保护模式．

接着在bootloader阶段各种段 ds cs都指向$ PROT_MODE_DSEG 0x10指向的内核数据段

重要的事情说三遍，

JOS中堆栈段和数据段指向同一个段，

JOS中堆栈段和数据段指向同一个段，

JOS中堆栈段和数据段指向同一个段，

: )

到后来初始化CPU的时候，也是把ss指向 GD_KD

OK ，到这里栈的初始化就算讲明白了（至少我自我感觉非常良好哈哈哈）

2. 用户栈切换到内核栈．

这里有各种方式可以切换，我们集中分析一种Trap Gate触发的切换就好了(其余的还有Call Gate, Interrupt Gate,Task Gate)可以去看赵炯的0.11 Linux源代码分析那本书，对于80x86的介绍非常的详细，也可以读Intel的手册．．．

重点放在*(int *)0xDeadBeef = 0就好，其他的可以无视，和我们这一小节的主题无关，我们关注的是栈的切换．

由于这里尝试对一个非法地址写入，那么直接page fault，有米有！　

由于触发的异常，那么CPU会帮我们直接把堆栈段进行切换（注意，很多其他寄存器不会自动切换，但是cs ss会！）

口说无凭，我们来测试

下面是刚好在这句坑爹的指令执行之前，各种寄存器的状态

常规寄存器都不需要怎么关注，集中看 cs ss ds es fs gd　eflags就好

下面我们看对比图．触发page fault前后的对比．

你会发现 cs ss 变了其他的 ds es fs gs都没变，而且这时候　eflags的IF标识没啦，中断这个时候是被屏蔽的．

结论:　触发异常的时候，CPU是会自动切换 代码段和堆栈段寄存器的，而数据段没有自动切换，以至于我们需要手动的在汇编代码中切换 ds ．当ds都完成切换的时候，就完成了所谓的从用户态到内核态切换．

3. 内核态到用户态的切换（这里不讨论用户异常栈的情况）．

真正切换的地方在这里．从内核栈切换到普通用户栈．实质上是前面用户态到内核态的一个逆向过程．

寄存器pop的顺序都是完全相反的．．．

这里把tf指针指向的 struct Trapframe设置成栈顶指针，很巧妙的把各种恢复各种寄存器的值．

直到最后 iret由于返回地址不再内核代码段内，发生堆栈切换．

这是切换前后的寄存器对比图:

切换之后，eflags立马有了 IF，允许了中断调用．