x86架构中的保护模式

        在x86架构中所谓保护模式其实就是段的存储方式能够达到一种保护机制。也正因为有了保护模式（段的存储方式）所以才会有特权模式，以及后面的多任务之说；

        在实模式下段的存储很简单，就是代表一个段基地址；如：ds(ds=0x7c00)，那么数据段的基地址就是0x7c00；再比如：ds:ax(ds=0x0000;ax=0x7c00)那么段基地址就是0x00；线性地址（物理地址）就是：(ds * 16) + ax；在实模式下给段基地址赋值也非常简单，直接用通用寄存器赋值实际物理基地址就可以。如：mov ax , 0x7c00；mov ds , ax；就可以了；

        在保护模式下段地址却没有那么单纯了，他是有全局描述符表来提供的（其实可以认为是多级存储段地址）；在保护模式下所有段地址都是集中在全局描述符表中定义的（忘记说明下，在保护模式下地址也是以段为基础的，这是他的兼容性；当然也可以把所有的地址都当作一个段，这就叫内存的平坦模式）；当你想引用某个段时，比如：mov ds , ax ；ax则不再是地址了，而是一个选择子，一个索引号，表示该段在全局描述符表中的第几个位置；最后由处理器找到这个位置，然后把该位置下的段描述符加载到ds中去。

        ------------------------------------------------------------------------全局描述符格式--------------------------------------------------------------------------------------

        全局描述符表GDT(global descriptor table)是有多个全局段描述符构成的，可以定义在随意位置（最好定义在地址空间1MB内，因为首先要有实模式下进入保护模式，而在实模式下所能查找的地址只有20位，也即是1MB）；下面是全局段描述符格式（一直说全局描述符，是因为有与其相对应的局部描述符LDT）：

        

        下面32位是低地址，上面32位是高地址；大概说明下各个字段表示的意思：

        段基地址：分三部分，0～15的，0～23的，0～31的，这代表了x86中的三个不同寻址位数（现在处理器有64位的），32位寻址可以有4GB内存地址了；

        段界限：分两部分，0~15的，0～19的，其实低32位是实模式下的寻址范围；这让我想起了实模式下两种地址划分：第一种，段基地址为0x0000，0x0010，0x0020，0x0030（16字节对齐）......而偏移量则只有0～15；第二种，以偏移量为中心，0x0000~0xFFFF，每个段都是64kb；

        高地址23位的G：表示粒度，为1，则表示以4kb为单位；为0，则表示以字节为单位；

       D/B：对代码段用D，若D为0，则表示是16位的保护模式（几乎没有这种模式了），用IP；若D为1，则表示是32位保护模式，用EIP；对堆栈用B，若B为0，则用SP；为1则用ESP；

        L：表示64位的；AVL是软件使用位，不讨论；

        P：表示这个段是否在内存中存在（1表示存在），这个位一般用在虚拟内存中；这个位可以用来做段的访问量统计，首先把该段的P位置零，然后当处理器访问该段时，产生一个缺页中断，处理器去处理中断程序，在中断程序中进行统计，最后中断程序还会把该段内容交换会内存；

        DPL：特权模式，这是个非常重要的字段，有4种模式（00 01 10 11 == 0 1 2 3），其中0是特权最高的，一般为操作系统程序的特权，3最低的，一般给用户程序；

        S：当为0时，表示该描述符是一个系统段的描述符（GDT，LDT，还有任务段等等）；为1时，则表示该描述符是个普通段的描述符（数据段ds，代码段cs，堆栈段ss等等）；

        TYPE：该段的读写类型；对于数据段（堆栈段也是特殊的数据段）来说，这四位分别为：X E W A（执行，扩展方向，写，已访问）。扩展方向，是向高地址扩展还是低地址扩展；对数据段来说一定是可以读的（默认是可读的）；对代码段来说，四位分别为：X C R A（执行，依从，读，已访问），其他位好理解，依从则是表示是否能从不同特权级之间切换，为0表示不依从，则只能从同等特权之间切换，为1，则可以在不同特权之间切换，但是当前特权会依从目标特权；对于代码段来说一定要可以执行的；所以当把描述符加载到数据段中时，是没有什么限制的，但第二、三位会当作E W；当加载到CS中时会检查是否可执行，第一位是否为1；

        上面就是段描述符格式字段了，有了这些格式字段，想定义段描述符就简单了，先定义一个代码段试试，低32位：0x7c000000，高32位：0x00409800；

        ----------------------------------------------------------------------------GDTR操作-------------------------------------------------------------------------------------

        定义好这些段描述符表，然后要加载到处理器指定的地方，以便加载段时，处理器知道该往哪里去寻址；处理器指定的地方就是全局描述符寄存器GDTR，GDTR有48位，其中低16位是界限值（全局描述符表减一，因为偏移量是从零开始的），高32位是全局描述符表的基地址；由界限值可以知道能定义最多多少个段描述符，2^16 = 64KB，而每一个段描述符是8个字节，所有64KB/8B = 8K个；

 

        还有两个操作GDTR命令，把全局描述符表加载到GDTR中，用lgdt 偏移量:全局描述符表基地址；把GDTR中的内容加载到指定位置，sgdt指定位置；（一般是先用sgdt加载到指定位置，然后修改下，最后再用lgdt加载回GDTR中去）；

        -----------------------------------------------------------------------------选择子---------------------------------------------------------------------------------------------

        前面已经说了，在保护模式下加载段不是加载地址而是加载选择子，那么什么是选择子？请看下面选择子格式：

        

        这就是段选择子了，共有16位（这样才能由通用寄存器来加载）。

        RPL字段是请求特权，这个有点复杂，简单的解释下：比如处理器是运行在代码段中，那么当前特权级（CPL）就是该代码段的描述符中的DPL；当处理器需要调用某个例程或者转移到另外的程序（不同段）中去执行，那么就要加载段选择子了，而这时候段选择子中的RPL就是请求特权级，表示运行程序的特权级当前特权级CPL。一般来说RPL会等于当前特权级；但有些特例，是当用户程序调用内核例程时，CPL为内核特权级0，而请求特权级则还是为用户特权级3。

        TI字段：表示处理器应该去GDTR中找段描述符还是LDTR中，若TI为0，则表示是全局描述符表中查找，否则是局部描述符中查找；

        描述符索引号：选择子共16位，RPL占2位，TI占一位，那么索引号只有13位了，所能查找的描述符为2^13 = 8k 个，和上面GDTR操作中界限值分析的个数一样；

        -----------------------------------------------------------------------段寄存器------------------------------------------------------------------------------------

        在保护模式下段寄存器和实模式下的完全不一样，在保护模式下的段寄存器其实是有80位的（实模式下真真切切只有16位），但是有64是隐藏的，只有处理器可以访问和加载，高16位才是我们可以操作的。存放的内容也不一样，实模式下存放的是地址，而保护模式下存放的是段选择子；保护模式下段寄存器格式见下图：

        

        --------------------------------------------------------------------处理器加载段过程---------------------------------------------------------------------------

        保护模式下的段加载过程如下图所示：

     

        当然里面还有各种检查机制没有体现，当引用一个段是，处理器会把GDT中的描述符加载到段寄存器中隐藏的64位中，这是第一次加载到段寄存器。以后如果要使用该段内容，则直接从段寄存器中隐藏部分获取基地址和检查的段界限（这是由处理器固件操作的）。

        -----------------------------------------------------------------------------段描述符加载检查---------------------------------------------------------------------

        第一、指定的描述符索引号是否超出了界限值，由选择子中的索引号和GDTR中的界限值比较，超出则报中断错误；

        第二、如果选择子中TI指定为0，则表示不能加载0号描述符，cs一定禁止加载GDT中0号描述符，其他段寄存器可以加载，但使用时会报中断错误；

        第三、检查描述符中P位是否为1，表示该段是否在内存中；

        第四、检查段描述符的属性和段寄存器是否匹配，如下图：

        

        看上图可以得出结论：cs中的段一定要可执行的，其他的段只要是可读就可以（SS特殊点，必须要可读可写）；

        保护模式下的基础知识基本就这些了，后面还有特权级，多任务等等。上面除了加载寄存器流程图外，其他的图都是来自于《x86汇编语言--从实模式到保护模式》

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