摘要：在pmtest4中，我们已经看到，对于非一致性代码，如何从低特权级转移向高特权级。但是我们该怎样从高特权级别，转移到低特权级别呢？本文，主要是为你解答这些疑问，展现实现这种特权级别转移的方法。另外，我们将在实践中探讨，为什么要设定RPL，是不是相对与DPL多此一举呢？在调试环节，我们将通过改动代码，排查相关错误来深入理解特权级检测机制。
一、预备理论
1.关于堆栈
我们都知道，可以通过call和jmp实现长跳转或者短跳转（段内转移或者段间转移）。但是jmp和call毕竟是有分别的，其中call指令是会影响到堆栈的：对于短调用，call指令执行时，下一条指令的eip入栈，ret指令执行时候，这个eip就会从堆栈中弹出。
短调用call指令执行前后堆栈的变化如下图所示（注意带有参数的ret指令）：
长调用的情况与此相似，不同的是call指令执行时，被压栈的还有cs。
2.特权级变换
注意到：如果我们采用call指令进行长跳转，而且特权级别发生了变换，这个时候就发生了堆栈切换，比如从A切换到了B。但是我们的数据保存在A上面，如何从B中返回呢？原来，intel提供了一种机制，能够将A上的一些内容copy到B堆栈中。同时，A堆栈要切换到B堆栈，但是它怎么知道B堆栈在哪里呢？答案：原来这个内容保存在任务的TSS结构中，TSS是任务状态段。每个任务都最多有四个堆栈段，但是只有一个esp和ss，TSS就解决了堆栈切换方面的数据保存问题。TSS的相关介绍，可以参考：保护模式及其编程——任务切换http://blog.csdn.net/trochiluses/article/details/19768579。
比如，我们目前是ring 3，需要转移到ring 1，那时，堆栈将自动切换到ss1和esp1。（由于只是从外层到内层切换，才从TSS中取得堆栈信息，所以，TSS中没有ring 3相关的堆栈信息。那么从内层向外层切换，如何获得目的地的信息呢）。
切换过程中有关堆栈的处理，可以参考：保护模式及其编程——保护的详尽意义：通过调用门转移特权级http://blog.csdn.net/trochiluses/article/details/19573651
好了，我们已经知道call------ret分别实现特权级高低转化，可能我们平时一直先使用call，然后再使用ret，以至于你对它的印象好像if和else，实际上不是这样的，我们通过retf指令，单独使用就可以实现特权级别从0到3，从高到低。
二、代码分析
pmtest5.a：我们需要增加一个ring 3的代码段，堆栈段，另外为了在rign 3下打印字符，需要将video段的DPL改成3.我们先来写一个测试版本a:程序执行流程和前面没有太大区别，在保护模式重打印字符串之后，我们让程序进入ring 3代码段，并且死循环，需要添加如下代码。
push SelectorStack3
push TopOfStack3
push SelecorCodeRing3
push 0
但是，如果我们去改动SelectorStack3和SelecorCodeRing3的描述符中RPL的字段，变成0，发现这个程序pmtest5.asm并没有像我们想象的那样，进入ring3.显然，retf的指令没有被正确执行。想一想，为什么？
pmtest5.b：在a的基础上，我们让程序在ring3代码段，进入死循环之前，调用调用门。在pmtest4的和a的基础上，我们需要做如下改动：
改动调用门的描述符和选择符到ring3；添加TSS以便能够从低特权级别转移到高特权级，并进行相关初始化。
最后，我们让程序在调用门的目标段，也就是ring 0中，跳入局部任务。
总结一下，pmtest5的执行流程：实模式---保护模式32b代码段ring 0---通过retf进入ring 3的代码段——通过调用门，进入ring 0的目标代码段——通过jmp，跳转到LDT局部任务。
三、调试过程中发现的错误与分析
1）为什么要有RPL，我们都知道有“别名段”，那么别名段意味着什么呢？同一个段，可以对应着不同的selector，也就能够对应不同的RPL，这样就有利于实现自由的权限管理。
我们回忆，最开始的retf并没有生效，猜想到可能是权限的问题。我们从ring0 经过retf 到ring 3；
call，从ring 3--->ring 0，要求：CPL<=DPL_G,RPL<=RPL_G,CPL>=DPL_B;变化以后CPL=DPL_B=0
retf是相反的过程，ring 0--->ring 3,要求：CPL<DPL_B，RPL<DPL_B!!!注意，retf只能用于不同特权级之间，所以没有等于，这也就是为什么开始转移失败了。
2）堆栈切换的特权级检查
更改TSS段中，将ss对应部分改成selectorstack3，然后就能在调试bochs的时候收到如下信息：
00082857633e[CPU0 ] call_protected: SS selector.rpl != CS descr.dpl
注明：开启出错信息的方法，在.bochsrc中添加对于log信息的注释#log
程序代码如下：
%include "head.inc"
org 0100h
jmp LABEL_BEGIN
[SECTION .gdt]
;GDT base, length, attr
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0
LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW
LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0FFFFH, DA_C
LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, SegDataLen-1, DA_DRW
LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA+DA_32
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C+DA_32
LABEL_DESC_CODE_DEST: Descriptor 0, SegCodeDestLen-1,DA_C+DA_32
LABEL_DESC_LDT: Descriptor 0, LDTLen-1, DA_LDT
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW + DA_DPL3
LABEL_DESC_CODE_RING3: Descriptor 0, SegCodeRing3Len-1,DA_C + DA_32 + DA_DPL3
LABEL_DESC_STACK3: Descriptor 0, TopOfStack3,DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3
LABEL_DESC_TSS: Descriptor 0, TSSLen-1, DA_386TSS
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest,0,0,DA_386CGate + DA_DPL3
GdtLen equ $-LABEL_GDT
GdtPtr dw GdtLen-1;注意，长度都是实际长度减1
dd 0 ;段基地址,注意，这里之所以没有直接制定，是因为还没有确定保护模式下gdt的基地址
;选择子
SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT
SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT
SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT
SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT
SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorLDT equ LABEL_DESC_LDT - LABEL_GDT
SelectorCodeDest equ LABEL_DESC_CODE_DEST - LABEL_GDT
SelectorCallGateTest equ LABEL_CALL_GATE_TEST - LABEL_GDT +SA_RPL3
SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT
SelectorCodeRing3 equ LABEL_DESC_CODE_RING3 - LABEL_GDT +SA_RPL3
SelectorStack3 equ LABEL_DESC_STACK3 - LABEL_GDT +SA_RPL3
SelectorTSS equ LABEL_DESC_TSS - LABEL_GDT
;end of section gdt
;--------------------------------------------------------------
[SECTION .data]
[BITS 32]
ALIGN 32
LABEL_SEG_DATA:
SPValueInRealModel dw 0
PMMessage: db "Coming into protect mode now !",0
OffsetPMMessage equ PMMessage - $$
StrTest: db "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0
OffsetStrTest equ StrTest - $$
SegDataLen equ $ - LABEL_SEG_DATA
;end of section data
;-----------------------------section:global stack------------------
[SECTION .gs]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_SEG_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ $-LABEL_SEG_STACK-1
;----------------------section:LDT----------------------------------
[SECTION .ldt]
align 32
[bits 32]
LABEL_SEG_LDT:
LABEL_DESC_CODEA: Descriptor 0,CodeALen -1,DA_C+DA_32
LDTLen equ $- LABEL_SEG_LDT
SelectorCodeA equ LABEL_DESC_CODEA - LABEL_SEG_LDT + SA_TIL
;end of ldt segment
;-------------------------------section:codeA------------------------
[section .codeA]
align 32
[bits 32]
LABEL_SEG_CODEA:
mov ax,SelectorVideo
mov gs,ax
mov ah,0ch
mov al,'L'
mov edi,(2*80+0)*2
mov [gs:edi],ax
jmp SelectorCode16:0
CodeALen equ $-LABEL_SEG_CODEA
;end of secion codeA
;------------------------------section:s16 begin---------------------
[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
xchg bx,bx
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0100h
mov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3],ax
mov [SPValueInRealModel],sp
;for segment code32
xor eax,eax
mov eax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE32;
mov word [LABEL_DESC_CODE32 +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7],ah
;for segment code16
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE16;
mov word [LABEL_DESC_CODE16 +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7],ah
;for segment data
xor eax,eax
mov eax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_DATA;
mov word [LABEL_DESC_DATA +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_DATA + 7],ah
;for segment ldt
xor eax,eax
mov eax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_LDT;
mov word [LABEL_DESC_LDT +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 7],ah
;for segment codeA
xor eax,eax
mov eax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODEA;
mov word [LABEL_DESC_CODEA +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODEA + 4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODEA + 7],ah
;for segment stack
xor eax,eax
mov eax,ds
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_STACK;
mov word [LABEL_DESC_STACK +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_STACK+ 4],al
mov byte [LABEL_DESC_STACK+ 7],ah
;no need for video base
;for segment dstcode
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE_DEST
mov word [LABEL_DESC_CODE_DEST +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST +4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_DEST +7],ah
;for segment code ring 3
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_CODE_RING3
mov word [LABEL_DESC_CODE_RING3 +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 +4],al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 +7],ah
;for segment code stack 3
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_STACK3
mov word [LABEL_DESC_STACK3 +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 +4],al
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 +7],ah
;for segment code stack 3
xor eax,eax
mov ax,cs
shl eax,4
add eax,LABEL_SEG_TSS
mov word [LABEL_DESC_TSS +2],ax
shr eax,16
mov byte [LABEL_DESC_TSS +4],al
mov byte [LABEL_DESC_TSS +7],ah
xor eax,eax
mov ax,ds
shl eax,4
add eax, LABEL_GDT
mov dword [GdtPtr +2 ],eax
lgdt [GdtPtr]
cli
in al,92h
or al,02h
out 92h,al
mov eax,cr0
or eax,1
mov cr0,eax
jmp dword SelectorCode32:0
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
LABEL_REAL_ENTRY: ;come here from protect model
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,[SPValueInRealModel]
in al,92h
and al,11111101b
out 92h,al
sti
mov ax,4c00h
int 21h
;end of section .s16
;------------------------section:code32,start of protect model--------
[SECTION .s32]
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE32:
mov ax,SelectorVideo
mov gs,ax
mov ax,SelectorData
mov ds,ax
mov ax,SelectorStack
mov ss,ax
mov esp,TopOfStack
mov ah,0ch
xor esi,esi
xor edi,edi
mov esi,OffsetPMMessage
mov edi,(80*11+0)*2
cld
.loopPmMessage:
lodsb
test al,al
jz .end
mov [gs:edi],ax
add edi,2
jmp .loopPmMessage
.end: ;
call DispReturn
mov ax,SelectorTSS
ltr ax
push SelectorStack3
push TopOfStack3
push SelectorCodeRing3
push 0
xchg bx,bx
retf
xchg bx,bx
call SelectorCallGateTest:0
;Load LDT
mov ax,SelectorLDT
lldt ax
jmp SelectorCodeA:0
;function: read and print 8 byte from es:0
TestRead:
xor esi,esi
mov ecx,8
.loopForEightBype:
mov al,[es:esi]
call DispAL
inc esi
loop .loopForEightBype
call DispReturn
ret; be sure of this
;funtion:
;write 8byte to es:OffsetStrTest
;input:es
TestWrite:
push esi
push edi
xor esi,esi
xor edi,edi
mov esi,OffsetStrTest
cld
.loopForEightBype:
lodsb ;ds:si->al
test al,al
jz .end
mov [es:edi],al
inc edi
jmp .loopForEightBype
.end:
pop edi
pop esi
ret
;funtion DispAL
; display the number in AL
;input: AL-the number
; edi-the position to display
;modified:ax,edi
DispAL:
push ecx
push edx
mov ah,0ch
mov dl,al
shr al,4
mov ecx,2
.begin:
and al,01111b
cmp al,9
ja .moreThanNine
add al,'0'
jmp .end
.moreThanNine:
sub al,0ah
add al,'A'
.end:
mov [gs:edi],ax
add edi,2
mov al,dl
loop .begin
add edi,2
pop edx
pop ecx
ret
;DispAL
;function DispReturn
;if edi=(a*80 + b)*2
;then edi=(a*80 + 80)*2
DispReturn:
push eax
push ebx
mov eax,edi
mov bl,160
div bl
and eax,0ffh;
inc eax
mov bl,160
mul bl
mov edi,eax
pop ebx
pop eax
ret
;end for function DispReturn
SegCode32Len equ $-LABEL_SEG_CODE32
;end of section .s32
;---------------------section s16code,before return to real-----------
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
;return to real model
mov ax,SelectorNormal
mov ds,ax
mov es,ax
mov fs,ax
mov gs,ax
mov ss,ax
mov eax,cr0
and al,11111110b
mov cr0,eax
LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY;
Code16Len equ $-LABEL_SEG_CODE16
;end of section s16code
;---------------------section:sdest---------------------------------
[section .sdest]
[bits 32]
LABEL_SEG_CODE_DEST:
mov ax,SelectorVideo
mov gs,ax
mov edi,(80*12+0)*2
mov ah,0ch
mov al,'C'
mov [gs:edi],ax
;load LDT
mov ax,SelectorLDT
lldt ax
jmp SelectorCodeA:0
SegCodeDestLen equ $-LABEL_SEG_CODE_DEST
;-------------------section stack ring3-----------------------------
[section .s3]
align 32
[bits 32]
LABEL_SEG_STACK3:
times 512 db 0
TopOfStack3 equ $-LABEL_SEG_STACK3 - 1
;----------------------section CodeRing3-----------------------------
[section .CodeRing3]
[bits 32]
LABEL_SEG_CODE_RING3:
mov ax,SelectorVideo
mov gs,ax
mov edi,(80*14+0)*2
mov ah,0ch
mov al,'3'
mov [gs:edi],ax
call SelectorCallGateTest:0
jmp $
SegCodeRing3Len equ $ - LABEL_SEG_CODE_RING3
;------------------------section TSS-------------------------------
[section .tss]
[bits 32]
LABEL_SEG_TSS:
dd 0
dd TopOfStack
dd SelectorStack
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dd 0
dw 0
dw $ - LABEL_SEG_TSS +2
db 0ffh
TSSLen equ $ - LABEL_SEG_TSS
