LYOS —— Memory Segments & GDT

LYOS —– 一个最基本的操作系统

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（二）Memory Segments & GDT

第二篇介绍保护模式下内存的访问

实模式和保护模式下内存的访问。

先明确几个概念：

段描述符
8个字节64位，每一个段都有一个对应的描述符。根据描述符所描述的对象不同，描述符可分为三类：储存段描述符，系统段描述符，门描述符(控制描述符)。在描述符中定义了段的基址，限长和访问类型等属性。其中基址给出该段的基础地址，用于形成线性地址；限长说明该段的长度，用于存储空间保护；段属性说明该段的访问权限、该段当前在内存中的存在性，以及该段所在的特权级。

段选泽符
32位汇编中16位段寄存器(CS、DS、ES、SS、FS、GS)中不再存放段基址,而 是段描述符在段描述符表中的索引值,D3-D15位是索引值,D0-D1位是优先级(RPL)用于特权检查,D2位是描述符表引用指示位TI,TI=0指 示从全局描述表GDT中读取描述符，TI=1指示从局部描述符中LDT中读取描述符。这些信息总称段选择符(段选择子) 。

段描述表
IA-32处理器把所有段描述符按顺序组织成线性表 放在内存中，称为段描述符表。分为三类：全局描述符表GDT，局部描述符表LDT和中断描述符表IDT。GDT和IDT在整个系统中只有一张，而每个任务 都有自己私有的一张局部描述符表LDT，用于记录本任务中涉及的各个代码段、数据段和堆栈段以及本任务的使用的门描述符。GDT包含系统使用的代码段、数 据段、堆栈段和特殊数据段描述符，以及所有任务局部描述符表LDT的描述符。

段寄存器

• GDTR全局描述符寄存器
  48位，高32位存放GDT基址，低16为存放GDT限长。
• LDTR局部描述符寄存器
  16位，高13为存放LDT在GET中的索引值。

在Real Mode下，我们对一个内存地址的访问是通过Segment:Offset的方式来进行的，其中Segment是一个段的Base Address，一个Segment的最大长度是64 KB，这是16-bit系统所能表示的最大长度。而Offset则是相对于此Segment Base Address的偏移量。Base Address+Offset就是一个内存绝对地址。由此，我们可以看出，一个段具备两个因素：Base Address和Limit（段的最大长度），而对一个内存地址的访问，则是需要指出：使用哪个段？以及相对于这个段Base Address的Offset，这个Offset应该小于此段的Limit。当然对于16-bit系统，Limit不要指定，默认为最大长度64KB，而 16-bit的Offset也永远不可能大于此Limit。我们在实际编程的时候，使用16-bit段寄存器CS（Code Segment），DS（Data Segment），SS（Stack Segment）来指定Segment，CPU将段寄存器中的数值向左偏移4-bit，放到20-bit的地址线上就成为20-bit的Base Address。
到了Protected Mode，内存的管理模式分为两种，段模式和页模式，其中页模式也是基于段模式的。也就是说，Protected Mode的内存管理模式事实上是：纯段模式和段页式。进一步说，段模式是必不可少的，而页模式则是可选的——如果使用页模式，则是段页式；否则这是纯段模式。
既然是这样，我们就先不去考虑页模式。对于段模式来讲，访问一个内存地址仍然使用Segment:Offset的方式，这是很自然的。由于 Protected Mode运行在32-bit系统上，那么Segment的两个因素：Base Address和Limit也都是32位的。IA-32允许将一个段的Base Address设为32-bit所能表示的任何值（Limit则可以被设为32-bit所能表示的，以2^12为倍数的任何值），而不象Real Mode下，一个段的Base Address只能是16的倍数（因为其低4-bit是通过左移运算得来的，只能为0，从而达到使用16-bit段寄存器表示20-bit Base Address的目的），而一个段的Limit只能为固定值64 KB。另外，Protected Mode，顾名思义，又为段模式提供了保护机制，也就说一个段的描述符需要规定对自身的访问权限（Access）。所以，在Protected Mode下，对一个段的描述则包括3方面因素：【Base Address, Limit, Access】，它们加在一起被放在一个64-bit长的数据结构中，被称为段描述符。这种情况下，如果我们直接通过一个64-bit段描述符来引用一个段的时候，就必须使用一个64-bit长的段寄存器装入这个段描述符。但Intel为了保持向后兼容，将段寄存器仍然规定为16-bit（尽管每个段寄存器事实上有一个64-bit长的不可见部分，但对于程序员来说，段寄存器就是16-bit的），那么很明显，我们无法通过16-bit长度的段寄存器来直接引用64-bit的段描述符。
怎么办？解决的方法就是把这些长度为64-bit的段描述符放入一个数组中，而将段寄存器中的值作为下标索引来间接引用（事实上，是将段寄存器中的高13 -bit的内容作为索引）。这个全局的数组就是GDT。事实上，在GDT中存放的不仅仅是段描述符，还有其它描述符，它们都是64-bit长，我们随后再讨论。
GDT可以被放在内存的任何位置，那么当程序员通过段寄存器来引用一个段描述符时，CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，所以Intel的设计者门提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址，程序员将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此寄存器，从此以后，CPU就根据此寄存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。
GDT是Protected Mode所必须的数据结构，也是唯一的——不应该，也不可能有多个。另外，正象它的名字（Global Descriptor Table）所揭示的，它是全局可见的，对任何一个任务而言都是这样。
除了GDT之外，IA-32还允许程序员构建与GDT类似的数据结构，它们被称作LDT（Local Descriptor Table），但与GDT不同的是，LDT在系统中可以存在多个，并且从LDT的名字可以得知，LDT不是全局可见的，它们只对引用它们的任务可见，每个任务最多可以拥有一个LDT。另外，每一个LDT自身作为一个段存在，它们的段描述符被放在GDT中。
IA-32为LDT的入口地址也提供了一个寄存器LDTR，因为在任何时刻只能有一个任务在运行，所以LDT寄存器全局也只需要有一个。如果一个任务拥有自身的LDT，那么当它需要引用自身的LDT时，它需要通过LLDT将其LDT的段描述符装入此寄存器。LLDT指令与LGDT指令不同的时，LGDT指令的操作数是一个32-bit的内存地址，这个内存地址处存放的是一个32-bit GDT的入口地址，以及16-bit的GDT Limit。而LLDT指令的操作数是一个16-bit的选择子，这个选择子主要内容是：被装入的LDT的段描述符在GDT中的索引值——这一点和刚才所讨论的通过段寄存器引用段的模式是一样的。
 ——百度百科

LYOS是32位操作系统，运行在保护模式下，所以不能直接使用段加偏移的方式访问RAM，需要使用GDT。
使用LGDT汇编指令加载GDT，加载GDT所使用的结构如下：

其中Size是全局描述表的大小减1，因为这个值的最大值是65535bytes，而GDT的大小可以为65536bytes（最大有8192个条目）。而且Size不可能是0，所以要减去1。Offset是全局描述表的线性地址。

GDT包含8个字节，结构如下：

“Limit 0:15” 这种格式的意思是这一字段包含Limit值的0到15bits。Base字段32bits，包含该segment开始的线性地址。Limit字段20bit， 指明最大可寻址单元 (不论是1byte的单元还是一个页).所以，如果你选择一个页面粒度(4 KiB) 并设置是limit值为 0xFFFFF 这个段将包含整个4G空间.下边是Access和Flags的具体解释：

• Pr:当前位，这个值必须设置为1对于任意有效的选择器。（存在标志）
• Privl:特权级别，2bits，包含ring level，0为kernel级，3为用户应用程序级。表示访问该段时CPU所需处于的最低特权级
• Ex:可执行标志位，如果是1则是code selector，可执行，如果是0则是deta selector，不可执行。
• DC: Direction 位/Conforming 位
  
  • Direction位为扩展方向位，为data selectors设计：设置为0，segment向上扩展，设置为1，segment向下扩展。
  • Conforming 执行权限位，为code selectors设计：如果是1，那么能够被同级或更低特权级执行。如果是0，那么只能被Pr位设置的ring执行。
• RW: 可读/可写标志位
  可读位为code selectors设计，无论读权限是否允许，写权限始终不允许给code segments。
  可写位为data selectors设计，无论是否可写，读权限始终允许给data segments。
• Ac:被访问位，设置为0，当segment被访问，CPU设置这个值为1。
• Gr: 粒度位。
  G=0时，段限长的20位为实际段限长，最大限长为2^20=1MB
  G=1时，则实际段限长为20位段限长乘以2^12=4KB，最大限长达到4GB
• Sz: 默认操作大小位. Sz=0，16位段，Sz=1,32位段。

了解了这些基本概念后，梳理一下逻辑地址转换成线性地址的原理和过程：

开始动手

工程目录结构

➜  /home/andy/ProgrammingPlayground/LYOS git:(master) ✗ >tree.├── include│   ├── common│   │   └── types.h│   └── gdt.h├── linker.ld├── Makefile└── src    ├── gdt.cpp    ├── kernel.cpp    └── loader.s3 directories, 7 files

新建了三个文件

文件 描述 include/common/types.h 定义了一些基本系统数据类型 include/gdt.h 全局描述表头文件 src/gdt.cpp 全局描述表实现

关键代码

gdt.h

#ifndef __LYOS__GDT_H#define __LYOS__GDT_H#include <common/types.h>namespace lyos{    class GlobalDescriptorTable             //全局描述表    {        public:            class SegmentDescriptor //段描述符            {                private:                    common::uint16_t limit_lo;              //limit的低16位                    common::uint16_t base_lo;               //base的低16位                    common::uint8_t base_hi;                //base的高16位                    common::uint8_t access;                 //8位对自身的访问权限                    common::uint8_t flags_limit_hi;         //limit的高4位和flags所占4位                    common::uint8_t base_vhi;               //base的最高8位                public:                    SegmentDescriptor(common::uint32_t base, common::uint32_t limit, common::uint8_t access);                    common::uint32_t Base();    //返回基址地址                    common::uint32_t Limit();   //返回limit大小            } __attribute__((packed));        private:            SegmentDescriptor nullSegmentSelector;            SegmentDescriptor unusedSegmentSelector;            SegmentDescriptor codeSegmentSelector;            SegmentDescriptor dataSegmentSelector;        public:            GlobalDescriptorTable();            ~GlobalDescriptorTable();            common::uint16_t CodeSegmentSelector(); //代码段选择子偏移量            common::uint16_t DataSegmentSelector(); //数据段选择子偏移量    };}#endif

gdt.cpp

#include <gdt.h>using namespace lyos;using namespace lyos::common;GlobalDescriptorTable::GlobalDescriptorTable()    : nullSegmentSelector(0, 0, 0),      unusedSegmentSelector(0, 0, 0),                 //Selector 0x00 不能被使用      codeSegmentSelector(0, 64 * 1024 * 1024, 0x9A), //Selector 0x08 作为代码段      dataSegmentSelector(0, 64 * 1024 * 1024, 0x92)  //Selector 0x10 作为数据段{    uint32_t i[2];                                    //LGDT参数    i[1] = (uint32_t)this;                            //入口地址    i[0] = (sizeof(GlobalDescriptorTable) - 1) << 16; //大小    asm volatile("lgdt (%0)" //在构造函数中加载gdt                 :                 : "p"(((uint8_t *)i) + 2));}GlobalDescriptorTable::~GlobalDescriptorTable(){}uint16_t GlobalDescriptorTable::DataSegmentSelector() //数据段选择子地址偏移量{    return (uint8_t *)&dataSegmentSelector - (uint8_t *)this;}uint16_t GlobalDescriptorTable::CodeSegmentSelector() //代码段选择子地址偏移量{    return (uint8_t *)&codeSegmentSelector - (uint8_t *)this;}//段描述符GlobalDescriptorTable::SegmentDescriptor::SegmentDescriptor(uint32_t base, uint32_t limit, uint8_t access){    uint8_t *target = (uint8_t *)this;    if (limit <= 65536)    {        target[6] = 0x40; //设置Gr为0    }    else    {        if ((limit & 0xFFF) != 0xFFF) //大于4G            limit = (limit >> 12) - 1;        else //小于4G            limit = limit >> 12;        target[6] = 0xC0; //设置Gr为1    }    //limit    target[0] = limit & 0xFF;    target[1] = (limit >> 8) & 0xFF;    target[6] |= (limit >> 16) & 0xF;    //base    target[2] = base & 0xFF;    target[3] = (base >> 8) & 0xFF;    target[4] = (base >> 16) & 0xFF;    target[7] = (base >> 24) & 0xFF;    //type    target[5] = access;}uint32_t GlobalDescriptorTable::SegmentDescriptor::Base() //返回Base值{    uint8_t *target = (uint8_t *)this;    uint32_t result = target[7];    result = (result << 8) + target[4];    result = (result << 8) + target[3];    result = (result << 8) + target[2];    return result;}uint32_t GlobalDescriptorTable::SegmentDescriptor::Limit() //返回Limit值{    uint8_t *target = (uint8_t *)this;    uint32_t result = target[6] & 0xF;    result = (result << 8) + target[1];    result = (result << 8) + target[0];    if ((target[6] & 0xC0) == 0xC0)        result = (result << 12) | 0xFFF;    return result;}

运行

同第一篇，由于只定义了GDT，所以运行无任何效果。

源码

https://github.com/qvjp/LYOS/