Bran的内核开发教程(bkerndev)-06 全局描述符表(GDT)

全局描述符表(gdt)

  在386平台各种保护措施中最重要的就是全局描述符表(gdt)。gdt为内存的某些部分定义了基本的访问权限。我们可以使用gdt中的一个索引来生成段冲突异常, 让内核终止执行异常的进程。现代操作系统大多使用"分页"的内存模式来实现该功能, 它更具通用性和灵活性。gdt还定义了内存中的的某个部分是可执行程序还是实际的数据。gdt还可定义任务状态段(tss)。tss一般在基于硬件的多任务处理中使用, 所以我们在此并不做讨论。需要注意的是tss并不是启用多任务的唯一方法。

  注意grub已经为你安装了一个gdt, 如果我们重写了加载grub的内存区域, 将会丢弃它的gdt, 这会导致"三重错误(triple fault)"。简单的说, 它将重置机器。为了防止该问题的发生, 我们应该在已知可以访问的内存中构建自己的gdt, 并告诉处理器它在哪里, 最后使用我们的新索引加载处理器的cs、ds、es、fs和gs寄存器。cs寄存器就是代码段, 它告诉处理器执行当前代码的访问权限在gdt中的偏移量。ds寄存器的作用类似, 但是数据段, 定义了当前数据的访问权限的偏移量。es、fs和gs是备用的ds寄存器, 对我们并不重要。

  gdt本身是64位的长索引列表。这些索引定义了内存中可访问区域的起始位置和大小界限, 以及与该索引关联的访问权限。通常第一个索引, 0号索引被称为null描述符。所以我们不应该将任何的段寄存器设置为0, 否则将导致常见的保护错误, 这也是处理器的保护功能。通用的保护错误和几种异常将在中断服务程序(isr)那节详细说明。

  每个gdt索引还定义了处理器正在运行的当前段是供系统使用的(ring 0)还是供应用程序使用的(ring 3)。也有其他ring级别, 但并不重要。当今主要的操作系统仅使用ring 0和ring 3。任何应用程序在尝试访问系统或ring 0的数据时都会导致异常, 这种保护是为了防止应用程序导致内核崩溃。gdt的ring级别用于告诉处理器是否允许其执行特殊的特权指令。具有特权的指令只能在更高的ring级别上运行。例如"cli"和"sti"禁用和启用中断, 如果应用程序被允许使用这两个指令, 它就可以阻止内核的运行。你将在本教程的后续章节中了解更多有关中断的知识。

  gdt的描述符组成如下:

• g: 段界限粒度(granularity)
  • g = 0: 长度单位为1字节
  • g = 1: 长度单位为4kb
• d: 操作数大小
  • 0 = 16bit
  • 1 = 32bit
• l: 未使用为0
• avl: 保留位, 系统软件使用
• p: 存在位, 段是否存在
  • 1 = yes
  • 0 = no
• dpl: ring级别(0到3)
• s: 描述符类型位
  • s = 1: 存储段描述符, 数据段/代码段
  • s = 0: 系统段描述符/门描述符)
• type: 段类型

  在我们的内核教程中, 我们将创建一个包含3个索引的gdt。一个用于''虚拟''描述符充当处理器内存保护功能的null段, 一个用于代码段, 一个用于数据段寄存器。使用汇编操作码lgdt告诉处理器我们新的gdt表在哪里。为lgdt提供一个指向48位的专用的全局描述符表寄存器(gdtr)的指针。该寄存器用来保存全局描述符信息, 0-15位表示gdt的边界位置(数值为表的长度-1), 16-47位存放gdt基地址。并且在我们访问gdt中不存在偏移的段时, 希望处理器可以立即创建一般保护错误)。

  我们可以使用3个索引的简单数组来定义gdt。对于我们的特殊gdtr指针, 我们只需要声明一个即可。我们称其为gp。创建一个新文件gdt.c。在build.bat中添加一行gcc命令来编译gdt.c, 并将gdt.o添加到ld链接文件列表中。下面这些代码组成了gdt.c的前半部分:

gdt.c

#include <system.h>

/* 定义一个gdt索引. __attribute__((packed))用于防止编译器优化对齐 */
struct gdt_entry
{
    unsigned short limit_low;
    unsigned short base_low;
    unsigned char base_middle;
    unsigned char access;
    unsigned char granularity;
    unsigned char base_high;
} __attribute__((packed));

/* gdtr指针 */
struct gdt_ptr
{
    unsigned short limit;
    unsigned int base;
} __attribute__((packed));

/* 声明包含3个索引的gdt和gdtr指针gp */
struct gdt_entry gdt[3];
struct gdt_ptr gp;

/* 这是start.asm中的函数, 用来加载新的段寄存器 */
extern void gdt_flush();

  gdt_flush()我们还没有定义, 该函数使用上面的gdtr指针来告诉处理器新的gdt所在位置, 并重新加载段寄存器, 最后跳转到我们的新代码段。现在我们在start.asm的stublet下的死循环后面添加下面的代码来定义gdt_flush:

start.asm

; 这将建立我们新的段寄存器
; 通过长跳转来设置cs
global _gdt_flush     ; 允许c源程序链接该函数
extern _gp            ; 声明_gp为外部变量
_gdt_flush:
    lgdt [_gp]        ; 用_gp来加载gdt
    mov ax, 0x10      ; 0x10是我们数据段在gdt中的偏移地址
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax
    jmp 0x08:flush2   ; 0x08是代码段的偏移地址, 长跳转
flush2:
    ret               ; 返回到c程序中

  仅为gdt保留内存空间是不够的, 还需要将值写入每个gdt中, 设置gp指针, 再调用gdt_flush进行更新。定义gdt_set_entry()函数, 该函数使用函数参数的移位给gdt每个字段设置值。为了让main.c能够使用这些函数, 别忘了将它们添加到system.h中(至少需要把gdt_install添加进去)。下面为gdt.c的剩下部分:

gdt.c

/* 在全局描述符表中设置描述符 */
void gdt_set_gate(int num, unsigned long base, unsigned long limit, unsigned char access, unsigned char gran)
{
    /* 设置描述符基地址 */
    gdt[num].base_low = (base & 0xffff);
    gdt[num].base_middle = (base >> 16) & 0xff;
    gdt[num].base_high = (base >> 24) & 0xff;

    /* 设置描述符边界 */
    gdt[num].limit_low = (limit & 0xffff);
    gdt[num].granularity = ((limit >> 16) & 0x0f);

    /* 最后，设置粒度和访问标志 */
    gdt[num].granularity |= (gran & 0xf0);
    gdt[num].access = access;
}

/* 由main函数调用
 * 设置gdtr指针, 设置gdt的3个索引条码
 * 最后调用汇编中的gdt_flush告诉处理器新gdt的位置
 * 并跟新新的段寄存器 */
void gdt_install()
{
    /* 设置gdt指针和边界 */
    gp.limit = (sizeof(struct gdt_entry) * 3) - 1;
    gp.base = &gdt;

    /* null描述符 */
    gdt_set_gate(0, 0, 0, 0, 0);

    /* 第2个索引是我们的代码段
     * 基地址是0, 边界为4gbyte, 粒度为4kbyte
     * 使用32位操作数, 是一个代码段描述符
     * 对照本教程中gdt的描述符的表格
     * 弄清每个值的含义 */
    gdt_set_gate(1, 0, 0xffffffff, 0x9a, 0xcf);

    /* 第3个索引是数据段
     * 与代码段几乎相同
     * 但access设置为数据段 */
    gdt_set_gate(2, 0, 0xffffffff, 0x92, 0xcf);

    /* 清除旧的gdt安装新的gdt */
    gdt_flush();
}

  现在我们的gdt加载程序的基本结构已经到位, 在将其编译链接到内核中后, 我们需要在main.c中调用gdt_install()才能真正完成工作。在main()函数的第一行添加gdt_install();gdt加载必须最先初始化。现在, 编译你的内核, 并在软盘中对其进行测试, 你不会在屏幕上看到任何变化, 这是一个内部的更改。

  下面我们将进入中断描述符表(idt)！

ps

  如果编译的时候报错:

undefined reference to `_gp'
undefined reference to `gdt_flush'

则把start.asm中_gp和_gdt_flush前面的下划线去掉再重新编译。