保护模式笔记四 段描述符结构
本帖最后由 lyl610abc 于 2021-6-5 10:19 编辑# 前言
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先前了解了段描述符和段选择子之间的对应关系，继续深入学习段描述符的结构
# 段描述符结构
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/2.png)
| 数据位 | 31-24| 23 | 22 | 21 | 20 | 19-16 | 15 | 14-13 | 12 | 11-8 | 7-0 |
| ------ | ------ | ---- | ------------ | ------- | ---------------- | ---------- | ------ | -------- | ---------- | ------ | ------ |
| 含义 | Base | G | D/B | 0 | AVL | Seg.Limit| P | DPL | S | Type | Base |
| 解释 | 基地址 | 粒度 | 默认操作大小 | 固定为0 | 用于系统软件使用 | 段大小限制 | 有效位 | 特权等级 | 描述符类型 | 段类型 | 基地址 |
------
| 数据位 | 31-16 | 15-0 |
| ------ | ----------- | ------------- |
| 含义 | Base Adress | Segment Limit |
| 解释 | 基地址 | 段大小限制 |
------
## 段描述符与段寄存器的对应关系
| 段寄存器组成 | Base | Limit | Attribute |
| :--------------- | :----------------------------------- | :-------------------------------- | :------------------------------- |
| **数据宽度** | 32位 | 32位 | 16位 |
| **描述** | 基地址（当前段的起始地址） | 大小限制（当前段的整个长度） | 属性（当前段是否可读可写可执行） |
| **对应段描述符** | 段描述符中的3段base | 段描述符中的2段limit和G位共同决定 | |
| **对应位** | 高4字节:24～31 0～7 ，低4字节:16～31 | 高4字节:16～19，低4字节:0～15 | 高4字节:8～23 |
## P位
当段描述符加载至段寄存器时，CPU首先要做的事就是检查段描述符的P位
| | P==0 | P==1 |
| ---- | ------------------ | ------------------ |
| 含义 | 该段描述符**无效** | 该段描述符**有效** |
也就是说：**P位决定了该段描述符是否有效**
------
## G位
CPU判断完段描述符P位有效后，还需要判断地址是否超出Limit
但会发现这里的Limit分为了两段，但两段的总长度也只有4+16=20位，和段寄存器中的Limit的32位不匹配
这里的Limit的最大表示范围是：0～2的20次方-1=0～0xFFFFF
而段寄存器中的Limit的最大表示范围是：0～2的32次方-1=0～0xFFFFFFFF
很显然现在的Limit无法表示段寄存器中的Limit了，为了解决这个问题，引入了G位：粒度（用来表示Limit的单位）
| | G==0 | G==1 |
| -------- | ----------------- | -------------------------------- |
| 含义 | limit以字节为单位 | limit以4096=2的12次方 字节为单位 |
| 表示范围 | 0～0xFFFFF | 0xFFF～0xFFFFFFFF |
也就是说：**G位决定了limit的单位**
------
## S位
S位用来标记当前描述符的类型
| | S==0 | S==1 |
| ---- | ------------ | -------------------- |
| 含义 | 系统段描述符 | 代码段或数据段描述符 |
段描述符可以分为**系统描述符、代码段描述符和数据段描述符**
根据S位的不同（描述符类型的不同）对应的Type域也不同
也就是说：**S位决定了Type域的含义**
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## Type域
Type占据了第11位到第8位，共4位
------
### S位为1时
当S==1时，该段描述符为代码段描述符或者数据段描述符
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412223417579.png)
| 十进制 | 11 | 10 | 9 | 8 | 描述符类型 | 描述 |
| ------ | ---- | ----------------------------------- | --------------- | ----------------- | ------------ | ---------------------------------------- |
| | | **E(是否向下扩展)** | **W(是否可写)** | **A(是否可访问)** | | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 数据段描述符 | 只读 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 数据段描述符 | 只读，可访问 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 数据段描述符 | 可读可写 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 数据段描述符 | 可读可写可访问 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 数据段描述符 | 只读，向下扩展 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 数据段描述符 | 只读，向下扩展，可访问 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 数据段描述符 | 可读可写，向下扩展 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 数据段描述符 | 可读可写，向下扩展，可访问 |
| | | **C(是否可以从较低的特权级别调用)** | **R(是否可读)** | **A(是否可访问)** | | |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 代码段描述符 | 只可执行 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | 代码段描述符 | 只可执行，可访问 |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | 代码段描述符 | 可执行可读 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | 代码段描述符 | 可执行可读，可访问 |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | 代码段描述符 | 只可执行，可从较低特权级别调用 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | 代码段描述符 | 只可执行，可从较低特权级别调用，可访问 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | 代码段描述符 | 可执行可读，可从较低特权级别调用 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | 代码段描述符 | 可执行可读，可从较低特权级别调用，可访问 |
------
主要说明一下**向下扩展和非向下扩展(向上扩展)**：
向上扩展就是：该段描述符所描述的**地址的有效范围**是从Base开始到Base+Limit结束
为下图中的红色部分：
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412232737696.png)
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与之相反，向下扩展则是：该段描述符所描述的**地址的有效范围**是**除了** 从Base开始到Base+Limit结束 之外的部分
为下图中的红色部分
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412232754839.png)
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### S位为0时
当S==0时，该段描述符为系统描述符
系统描述符有分为以下类型：
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412224835393.png)
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| 十进制 | 11 | 10 | 9 | 8 | 描述 |
| ------ | ---- | ---- | ---- | ---- | ------------------------ |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 保留 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 16位 任务状态段TSS(可用) |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | LDT |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 16位 任务状态段TSS(繁忙) |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 16位 调用门 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 任务门 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 16位 中断门 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 16位 陷阱门 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 保留 |
| 9 | 1 | 0 | 0 | 1 | 32位 任务状态段TSS(可用) |
| 10 | 1 | 0 | 1 | 0 | 保留 |
| 11 | 1 | 0 | 1 | 1 | 32位 任务状态段TSS(繁忙) |
| 12 | 1 | 1 | 0 | 0 | 32位 调用门 |
| 13 | 1 | 1 | 0 | 1 | 保留 |
| 14 | 1 | 1 | 1 | 0 | 32位 中断门 |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 | 32位 陷阱门 |
关于系统描述符中的TSS、调用门、中断门、陷阱门 留作之后的笔记，这里不再展开
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**Type域决定了当前段的属性**
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## D/B位
D/B位分别作用于3种情况：
1. 对CS段的影响
2. 对SS段的影响（SS段也属于数据段）
3. 对向下扩展的数据段的影响
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| | D/B == 0 | D/B == 1 |
| ---------------- | ------------------------ | ------------------------- |
| CS段 | 采用16位寻址方式 | 采用32位寻址方式 |
| SS段 | 使用16位堆栈指针寄存器SP | 使用32位堆栈指针寄存器ESP |
| 向下扩展的数据段 | **段上限**为64KB | **段上限**为4GB |
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主要说明一下对 向下扩展的数据段的影响
### D/B位为1时
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412232718593.png)
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### D/B位为0时
!(https://610-pic-bed.oss-cn-shenzhen.aliyuncs.com/image-20210412232853145.png)
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## DPL
DPL=Descriptor privilege level(描述符特权等级)为：访问这个描述符所需的特权级别(环ring)
关于段的权限检查，留作之后的笔记，这里不再展开
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# 根据结构分析段描述符
大致了解了段描述符的结构后，就可以通过结构来分析一个段描述符了
给出的示例段描述符为：00cffb00`0000ffff
先转换成二进制：0000 0000 1100 1111 1111 1011 0000 0000 ` 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111
按照对应的格式填入：
| 数据位 | 31-24 | 23 | 22 | 21 | 20 | 19-16 | 15 | 14-13 | 12 | 11-8 | 7-0 |
| ------ | -------- | ---- | ------------ | ------- | ---------------- | ---------- | ------ | -------- | ---------- | ------ | -------- |
| 含义 | Base | G | D/B | 0 | AVL | Seg.Limit| P | DPL | S | Type | Base |
| 解释 | 基地址 | 粒度 | 默认操作大小 | 固定为0 | 用于系统软件使用 | 段大小限制 | 有效位 | 特权等级 | 描述符类型 | 段类型 | 基地址 |
| 数值 | 00000000 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1111 | 1 | 11 | 1 | 1011 | 00000000 |
------
| 数据位 | 31-16 | 15-0 |
| ------ | ---------------- | ---------------- |
| 含义 | Base Adress | Segment Limit |
| 解释 | 基地址 | 段大小限制 |
| 数值 | 0000000000000000 | 1111111111111111 |
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## P位
此时P位为1，表明当前的段描述符有效
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## G位
此时的G位为1，表明此时limit以4096字节为单位
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## Limit
此时的Limit为0xFFFFF，但其单位为4096字节，于是Limit等于0xFFFFF FFF 字节
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## S位
此时的S位为1，表明该段描述符为代码段描述符或者数据段描述符
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## Type域
此时的Type域为1011，表明该段描述符为代码段描述符，且可执行可读，可访问
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## D/B位
此时的D/B位为1，表明此时采用32位寻址方式
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## DPL
此时的DPL为11，表明访问这个描述符所需的特权级别为ring3(应用层)
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# 说明
此篇笔记大体介绍了段描述符的结构，以及如何通过结构来解析一个段描述符的含义
目前还剩下段的权限检查和系统描述符没有具体说明，留作之后的笔记(*￣(￣ *) lyl610abc 发表于 2021-4-13 12:02
从0x7c00是什么意思
开机之后bios把mbr里面的代码加载到这个固定的物理地址开始执行，然后才是各种初始化以及实模式转保护模式 minibeetuaman 发表于 2021-4-13 09:13
类似读书笔记类的东西，建议把从0x7c00到转入保护模式这一阶段综合起来，不然新手看得云里雾里
从0x7c00是什么意思{:301_982:} 谢谢分享 谢谢分享 这些标志位置是都得记住？ 类似读书笔记类的东西，建议把从0x7c00到转入保护模式这一阶段综合起来，不然新手看得云里雾里 666666666666666666666666666666 sam喵喵 发表于 2021-4-13 09:01
这些标志位置是都得记住？
能记住自然最好，记不住的话就把每个标志位的含义记下就好{:301_971:} 我去，大佬你真的勤快，我每天都看到你更新
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