第三次启动保护模式

来源：互联网发布：python ssh执行.sh 编辑：程序博客网时间：2024/05/01 16:07

4.2.2 第三次启动保护模式

很多人就有疑问，刚才我们设置好了中断描述符表，那内核怎么用它呢？不好意思，刚才在略过了的checkCPUtype过程中有一步非常重要的步骤，现在把它补上：

418 is386: movl $2,%ecx # set MP

419 2: movl %cr0,%eax

420 andl $0x80000011,%eax # Save PG,PE,ET

421 orl %ecx,%eax

422 movl %eax,%cr0

423

424 call check_x87

425 lgdt early_gdt_descr

426 lidt idt_descr

427 ljmp $(__KERNEL_CS),$1f

428 1: movl $(__KERNEL_DS),%eax # reload all the segment registers

429 movl %eax,%ss # after changing gdt.

430

431 movl $(__USER_DS),%eax # DS/ES contains default USER segment

432 movl %eax,%ds

433 movl %eax,%es

434

435 movl $(__KERNEL_PERCPU), %eax

436 movl %eax,%fs # set this cpu's percpu

425行重新加载一个全局描述符表，early_gdt_descr：

707 ENTRY(early_gdt_descr)

708 .word GDT_ENTRIES*8-1

709 .long gdt_page /* Overwritten for secondary CPUs */

同样也是包含段限和全局描述符表地址，gdt_page在arch/x86/include/asm/desc.h定义：

36struct gdt_page {

37 struct desc_struct gdt[GDT_ENTRIES];

38} __attribute__((aligned(PAGE_SIZE)));

为什么需要重新加载一个全局描述符表？很简单，因为现在起到分页了，所以，要重新定位全局描述符表的位置，GDT的第三次段设置是在开启并设置了了页面寻址之后进行的。设置本身很简单，也是最终的设置，而且还同时设置了IDT。而由于aligned(PAGE_SIZE)，所以gdt_page正好是一个页面的开始位置。GDT_ENTRIES的值是32，定义在arch/x86/include/asm/segment.h：

110#define GDT_ENTRIES 32

所以全局描述符表式每个表项为desc_struct结构的，32个表项的数组，它的每个表项是：

22struct desc_struct {

23 union {

24 struct {

25 unsigned int a;

26 unsigned int b;

27 };

28 struct {

29 u16 limit0;

30 u16 base0;

31 unsigned base1: 8, type: 4, s: 1, dpl: 2, p: 1;

32 unsigned limit: 4, avl: 1, l: 1, d: 1, g: 1, base2: 8;

33 };

34 };

35} __attribute__((packed));

正好看到第二个联合体，熟悉吧，描述符结构。哦，你不熟悉，那就看看博客“Intel 80286工作模式” 。8个字节，所以gdt表共占8*32=256个字节，相对于一个页面的4096字节，仅仅占了一个页面前1/16的空间。

回到426行，把我们刚才设置好的中断门描述符表idt_descr通过lidt加载上，然后427~436行分别将段选择子__KERNEL_CS、__KERNEL_DS、__USER_DS、__KERNEL_PERCPU加载到寄存器cs、ss、ds/es、fs。注意这里一个细节，加载cs寄存器重来都不使用mov指令，而是通过ljmp $(__KERNEL_CS),$1f来设置。还有，这时候，gdt是早已初始化了的。

那么，这个gdt是在哪里初始化的呢，请看arch/x86/kernel/cpu/common.c文件：

86DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(struct gdt_page, gdt_page) = { .gdt = {

87#ifdef CONFIG_X86_64

88 /*

89 * We need valid kernel segments for data and code in long mode too

90 * IRET will check the segment types kkeil 2000/10/28

91 * Also sysret mandates a special GDT layout

92 *

93 * TLS descriptors are currently at a different place compared to i386.

94 * Hopefully nobody expects them at a fixed place (Wine?)

95 */

96 [GDT_ENTRY_KERNEL32_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc09b, 0, 0xfffff),

97 [GDT_ENTRY_KERNEL_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xa09b, 0, 0xfffff),

98 [GDT_ENTRY_KERNEL_DS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc093, 0, 0xfffff),

99 [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER32_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fb, 0, 0xfffff),

100 [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f3, 0, 0xfffff),

101 [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xa0fb, 0, 0xfffff),

102#else

103 [GDT_ENTRY_KERNEL_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc09a, 0, 0xfffff),

104 [GDT_ENTRY_KERNEL_DS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),

105 [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fa, 0, 0xfffff),

106 [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f2, 0, 0xfffff),

107 /*

108 * Segments used for calling PnP BIOS have byte granularity.

109 * They code segments and data segments have fixed 64k limits,

110 * the transfer segment sizes are set at run time.

111 */

112 /* 32-bit code */

113 [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS32] = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),

114 /* 16-bit code */

115 [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS16] = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),

116 /* 16-bit data */

117 [GDT_ENTRY_PNPBIOS_DS] = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0xffff),

118 /* 16-bit data */

119 [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS1] = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),

120 /* 16-bit data */

121 [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS2] = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),

122 /*

123 * The APM segments have byte granularity and their bases

124 * are set at run time. All have 64k limits.

125 */

126 /* 32-bit code */

127 [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE] = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),

128 /* 16-bit code */

129 [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+1] = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),

130 /* data */

131 [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+2] = GDT_ENTRY_INIT(0x4092, 0, 0xffff),

132

133 [GDT_ENTRY_ESPFIX_SS] = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),

134 [GDT_ENTRY_PERCPU] = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),

135 GDT_STACK_CANARY_INIT

136#endif

137} };

首先讲讲DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED宏，在include/linux/percpu-defs.h中：

#define DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(type, name) /

DEFINE_PER_CPU_SECTION(type, name, ".page_aligned") /

__aligned(PAGE_SIZE)

#define DECLARE_PER_CPU_SECTION(type, name, sec) /

extern __PCPU_ATTRS(sec) __typeof__(type) name

#define __PCPU_ATTRS(sec) /

__percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION sec))) /

PER_CPU_ATTRIBUTES

展开就是：

extern __percpu __attribute__((section(PER_CPU_BASE_SECTION .page_aligned))) /

PER_CPU_ATTRIBUTES __typeof__(struct gdt_page) gdt_page __aligned(PAGE_SIZE)

看到了吗？在编译阶段gdt[GDT_ENTRIES]就被编译成了一个常量，在32位x86体系中其值为103~135行的代码，将这个常量最后链接进PER_CPU_BASE_SECTION中。

另外，GDT_ENTRY_INIT宏，在arch/x86/include/asm/desc_defs.h中定义：

#define GDT_ENTRY_INIT(flags, base, limit) { { { /

.a = ((limit) & 0xffff) | (((base) & 0xffff) << 16), /

.b = (((base) & 0xff0000) >> 16) | (((flags) & 0xf0ff) << 8) | /

((limit) & 0xf0000) | ((base) & 0xff000000), /

所以经过编译链接以后，gdt就包含14个全局描述符，其中：

#define GDT_ENTRY_KERNEL_BASE 12

#define GDT_ENTRY_KERNEL_CS (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 0)

表示内核代码段的索引，即gdt[12]为代码段描述符。

#define GDT_ENTRY_KERNEL_DS (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 1)

表示内核数据段的索引，即gdt[13]为数据段描述符。

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS 14

表示用户代码段的索引，即gdt[14]为用户代码段描述符。

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS 14

表示用户数据段的索引，即gdt[15]为用户数据段描述符。

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 6)

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS32 (GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE + 0)

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS16 (GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE + 1)

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_DS (GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE + 2)

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS1 (GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE + 3)

#define GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS2 (GDT_ENTRY_PNPBIOS_BASE + 4)

gdt[18]、gdt[19]、gdt[20]、gdt[21]、gdt[22]分别表示PNP BIOS的32位代码段、16位代码段、数据段、两个任务段。

#define GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 11)

gdt[23]、gdt[24]、gdt[25]分别表示高级电源管理APM的32位代码段、16位代码段和数据段。

#define GDT_ENTRY_ESPFIX_SS (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 14)

gdt[26]表示堆栈修复段的段描述符。

#define GDT_ENTRY_PERCPU (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 15)

gdt[26]表示每CPU段的段描述符。

最后由于我们的.config没有定义CONFIG_CC_STACKPROTECTOR，所以GDT_STACK_CANARY_INIT就为空。所以，Linux启动以来自此加载的gdt已有以上若干个段的描述符在编译vmlinux的时候初始化了，其他没被初始化的地方暂时保留。

我们知道Linux x86的分段管理是通过GDTR来实现的，那么现在就来总结一下Linux启动以来到现在，共设置了几次GDTR：

1．第一次还是cpu处于实模式的时候，运行arch/x86/boot/pm.c下setup_gdt()函数的代码。该函数，设置了两个GDT项，一个是代码段可读/执行的，另一个是数据段可读写的，都是从0-4G直接映射到0-4G，也就是虚拟地址和线性地址相等。

2．第二次是在内核解压缩以后，用解压缩后的内核代码arch/x86/kernel/head_32.S再次对gdt进行设置，这一次的设置效果和上一次是一样的。

3．第三次同样是在arch/x86/kernel/head_32.S中，只不过是在开启了页面寻址之后，通过分页寻址得到编译好的全局描述符表gdt的地址。这一次效果就跟前两次不一样了，为内核最终使用的全局描述符表，同时也设置了IDT。