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[系统底层] 保护模式笔记四 段描述符结构

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lyl610abc 发表于 2021-4-13 00:34

前言

所有保护模式索引链接:保护模式笔记一 保护模式介绍

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

2

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


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

image-20210412223417579

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:

image-20210412232737696


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

image-20210412232754839


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:

image-20210412224835393


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 任务们
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


Type域决定了当前段的属性


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

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

主要说明一下对 向下扩展的数据段的影响

D/B位为1时

image-20210412232718593


D/B位为0时

image-20210412232853145


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


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

P位

此时P位为1,表明当前的段描述符有效


G位

此时的G位为1,表明此时limit以4096字节为单位


Limit

此时的Limit为0xFFFFF,但其单位为4096字节,于是Limit等于0xFFFFF FFF 字节


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


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


D/B位

此时的D/B位为1,表明此时采用32位寻址方式


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)


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( ̄( ̄ )

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sam喵喵 + 1 + 1 谢谢@Thanks!
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minibeetuaman 发表于 2021-4-13 14:29
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

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参与人数 1吾爱币 +1 热心值 +1 收起 理由
lyl610abc + 1 + 1 感谢您的宝贵建议,我们会努力争取做得更好!

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 楼主| lyl610abc 发表于 2021-4-13 12:02
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
cdfox 发表于 2021-4-13 07:26
江篱 发表于 2021-4-13 09:01
谢谢分享
sam喵喵 发表于 2021-4-13 09:01
这些标志位置是都得记住?
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
Zoro. 发表于 2021-4-13 11:01
666666666666666666666666666666
 楼主| lyl610abc 发表于 2021-4-13 12:01
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

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参与人数 1热心值 +1 收起 理由
sam喵喵 + 1 谢谢@Thanks!这么多怎么记得住

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辉哥j 发表于 2021-4-14 00:22
我去,大佬你真的勤快,我每天都看到你更新
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