《30天自制操作系统》学习笔记（五）

GDT

（一）什么是GDT？需要解决什么问题？

    1.什么是分段？将合计4GB的内存分成很多块，每一块的起始地址都看作0来处理，像这样分割出来的块，就称为段（Segment）。

    2.为什么要引入分段？为了让程序在内存中自由浮动而又不影响它的正常运行，处理器将内存划分成逻辑上的段，并在指令中使用段内偏移地址。

    3.由分段的问题--如何使每个段可以访问？利用段描述符（Segment Descriptor），8个字节，用于存储与一个段有关的信息，每个段都需要一个这样的描述符。

    4.由段描述符引出的问题--段描述符如何存储与使用？存储：在内存中开辟一段空间，在这段空间里，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，这样就构成了一个描述符表（Descriptor Table）。

    5.其中用于存放全局描述符的表就称为全局描述符秒（Global Descriptor Table，GDT），这个表示为整个软硬件系统服务的，在进入保护模式之前，必须要定义全局描述符表。

    6.继续引出的问题--CPU如何查找GDT中的信息？利用了一个叫GDTR的寄存器（注意此处是寄存器，不是内存了，需要和GDT区别对待）。GDTR中高32位表示GDT在内存中的基地址，低16位表示表界限，所以就明确的给出了GDT在内存中的存储信息。

    7.有了GDTR和GDT后，可以方便的找出GDT，但是由此又出现一个问题--如何找出GDT中的某一个段描述符？因为段描述符有8个字节，但是寄存器只有2个字节，所以引入了段选择符（Segment selector），用于寻找段描述符。段选择符有16位，其中低3位为标志位，高13位用于表示GDT的索引号，所以一个GDT中最高可以有8192个段描述符。

（RPL为Reuqest Privilege Level，表示请求特权级）

所以过程如图

（二）什么是段描述符和段选择子？

    1.段描述符

        GDT的组成单元，表示段的信息，主要包含以下信息

            a.段的大小是多少？

            b.段的起始地址在哪里？

            c.段的管理属性

主要属性字段：

    G--粒度标志，G=0以字节为单位，否则以4Kb为单位

    D/B--DB标志，当描述符指向的是可执行代码段时，这一位叫做D位，D=1使用32位地址和32/8位操作数，D=0使用16位地址和16/8位操作数。如果指向的是向下扩展的数据段，这一位叫做B位，B=1时段的上界为4GB，B=0时段的上界为64KB。如果指向的是堆栈段，这一位叫做B位，B=1使用32位操作数，堆栈指针用ESP，B=0时使用16位操作数，堆栈指针用SP。

    AVL标志，目前忽略

    P--存在标志，P=0表示当前段不在主存中

    DPL--描述符特权级。特权级，0为最高特权级，3为最低，表示访问该段时CPU所需处于的最低特权级。如DPL=0则只有CPL为0才可以访问，DPL=3则任意CPL都可以访问（CPL代表CPU当前的特权级）

    S--系统标志。S=1表示系统段，否则是普通的代码段或数据段。

设置代码示例：

//用于设置段描述信息的变量，包括要设置的段描述符的信息

struct SEGMENT_DESCRIPTOR {

    short limit_low, base_low;

    char base_mid, access_right;

    char limit_high, base_high;

};

void init_gdt(void)

{

    struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) 0x00270000;  //GDT起始地址，可自行设定

    int i;

    /* 初始化，8192个全0的段描述符 */

    for (i = 0; i < 8192; i++) {

        set_segmdesc(gdt + i, 0, 0, 0);

    }

    set_segmdesc(gdt + 1, 0xffffffff, 0x00000000, 0x4092);    //设置1号描述符

    set_segmdesc(gdt + 2, 0x0007ffff, 0x00280000, 0x409a);    //设置2号描述符

    load_gdtr(0xffff, 0x00270000);    //载入GDTR

    return;

}

//根据段描述的结构设置对应属性，利用结构体变量的存储结构进行按位设置

void set_segmdesc(struct SEGMENT_DESCRIPTOR *sd, unsigned int limit, int base, int ar)

{

    if (limit > 0xfffff) {

        ar |= 0x8000; /* G_bit = 1 */

        limit /= 0x1000;

    }

    sd->limit_low    = limit & 0xffff;

    sd->base_low     = base & 0xffff;

    sd->base_mid     = (base >> 16) & 0xff;

    sd->access_right = ar & 0xff;

    sd->limit_high   = ((limit >> 16) & 0x0f) | ((ar >> 8) & 0xf0);

    sd->base_high    = (base >> 24) & 0xff;

    return;

}

2.段选择子

    实模式下的6个段寄存器CS、DS、ES、FS、GS、SS，在保护模式下叫段选择器。在保护模式下，传送到段选择器的内容不是逻辑段地址，而是段描述符在GDT中的索引号（段选择子）

    使用示例如下：                                 段基址         段界限        段属性

    LABEL_GDT                    Descriptor    0，               0，           0            ;空描述符

    LABEL_DESC_TEST         Descriptor    0，         0ffffh，          属性值

    Descriptor为一个实现   set_segmdesc函数功能的标识

    Selector_test            equ    LABEL_DESC_TESR-LABEL_GDT

    Selector_test就与LABEL_DESC_TEST建立了对应关系，使用时可以用如下方式：

    jmp Selector_test:0

或者

    mov ax,Selector_test

    mov gs,ax

等方式调用

（三）几个对应关系

1.GDT与GDTR的关系

GDT位于内存中，用于存储段描述符；GDTR是寄存器，用于存储GDTR的信息。GDT像是书中某一个章节的具体内容，有起始页码，结束页码和内容等；GDTR像是对应的目录，记录了GDTR的起始页码，页面范围。

2.段描述符和段选择符的关系

段描述符用于记录一个段的具体信息，就像是GDT这个大章中的某一个小节；段选择符则记录这个小结对应的页码（位置），以方便查找。

（四）几个不清楚问题

1.GDT和GDTR都有对应的存储位置，那么段选择符又是存储在哪里？