作業系統中的描述符和GDT

東垂小夫發表於2021-02-05

在作業系統中,全域性描述符是什麼?GDT又是什麼?在進入保護模式之前,準備好GDT和GDT中的描述符是必須的嗎?用匯編程式碼怎麼建立描述符?本文解答上面幾個問題。

在真實模式下,CPU是16位的,意思是,暫存器是16位的,陣列匯流排(data bus)是16位的,但地址匯流排是20位的。實體記憶體地址的計算公式是:
$$
實體地址 = 段地址 * 16 + 偏移量
$$
段地址和偏移量都是16位的,能定址的最大記憶體地址是1M。

1M是怎麼計算出來的?2的20次方就是1M,能表示的記憶體地址是 0~(2的20次方-1)。用簡單例子來理解,1位十進位制數能表示的最大數是10 - 1 = 9,但1位十進位制數能表示的數卻是 0 ,和 1-9 ,總計10個數字。

若一個記憶體地址是20:30,最終記憶體地址是:20 * 16 + 30

在保護模式下,記憶體地址仍然用“段地址:偏移量”的方式來表示。不過,“段地址”的含義不同於真實模式下的“段地址”。在真實模式下,段地址是實體地址的高地址部分,具體說,是高16位部分。而在保護模式下,段地址是選擇子,指向一個結構,這個結構描述了一個記憶體區域,告知該區域的記憶體地址從哪裡開始,在哪裡結束,還告知了這片記憶體能不能被訪問、能不能被讀取等資料。這個結構組成一個集合,叫GDT,而這個結構叫GDT項,它有一個術語,叫“描述符”。

GDT的作用是提供段式儲存機制。段式儲存機制由段暫存器和GDT共同提供。段暫存器提供段值,即描述符在GDT中的索引,也就是選擇子。根據選擇子在GDT中找到目標描述符。這個描述符中包含一段記憶體的初始地址、這段記憶體的最大地址、這段記憶體的屬性。

GDT的構成

GDT項即全域性描述符的長度是8個位元組,64個bit,64個位,063位,而不是164位。下圖是寫了位編號的8個位元組。真實的全域性描述符是不折行的,這裡無法在一行顯示全部資料,因此折行了。

63|62|61|60|59|58|57|56| 55|54|53|52|51|50|49|48| 47|46|45|44|43|42|41|40| 39|38|37|36|35|34|33|32| 31|30|29|28|27|26|25|24| 23|22|21|20|19|18|17|16| 15|14|13|12|11|10|09|08| 07|06|05|04|03|02|01|00|

15|14|13|12|11|10|09|08| 07|06|05|04|03|02|01|00|。段界限1。段界限的 0~15 位。描述符的 0~15 位。

39|38|37|36|35|34|33|32| 31|30|29|28|27|26|25|24| 23|22|21|20|19|18|17|16|。段基址1。段基址的 0~23位。描述符的 16~39位。

55|54|53|52|51|50|49|48| 47|46|45|44|43|42|41|40|。很複雜,很碎片化,需進一步放大觀察。

43|42|41|40|,TYPE。4位。

44,S。是否為系統段(待驗證)。1位。

46|45,DPL。2位。

47,P。1位。

上面是一個位元組,下面是第二個位元組。

51|50|49|48|。段界限2。段界限的第 16~19 位。描述符的第 48~51 位。段界限一共有20位。

52。AVL。1位。

53。0。1位。

54。D/B。1位。

55。G。1位。

段屬性佔用空間的位數:4 + 1 + 2 + 1 + 1 + 1 * 3 = 12。

63|62|61|60|59|58|57|56|。段基址2。段基址的第 24~31 位。描述符的第 56~63 位。段基址一共有32位。

描述符的結構比較複雜,要記住它,有點困難,不過並非不可能記住。作者覺得沒有必要一個位元組不差地背誦出來。

選擇子

描述符的選擇子的長度是16位。

15|14|13|12|11|10|09|08| 07|06|05|04|03|02|01|00|

01|00|,RPL。

02,T1。

15|14|13|12|11|10|09|08| 07|06|05|04|03,描述符在GDT中的索引。

段式儲存機制的定址方式

段地址儲存的是描述符的選擇子,根據選擇子能找到GDT中對應的描述符。從描述符中獲取段基址,然後加上段式儲存機制中的偏移量,就是線性地址。在當前語境下,線性地址等同實體地址。

概念比較

邏輯地址。段式機制的地址,例如“段地址:偏移量”,就是邏輯地址。

線性地址。在保護模式下,用邏輯地址中的段地址從GDT中找到描述符,然後從描述符中獲取段的基址,段基址加上偏移量的結果就是線性地址。

如上文所言,線性地址目前可視為實體地址。開啟分頁機制後,線性地址不能等同於實體地址。實體地址是實體記憶體的一個編號。

作者的疑問

進入保護模式前,為什麼需要建立好描述符、選擇子、GDT?這些是必要條件嗎?

作者曾認為這些不是必須。再次瞭解段式儲存機制後,改變了看法:進入保護模式前,必須準備好GDT、描述符和描述符選擇子。這是由保護模式下的記憶體定址方式決定的。

無論是在真實模式下還是保護模式下,都需要使用記憶體。在保護模式下,怎麼找到某片記憶體呢?保護模式下,使用段式機制。回憶一下,段式儲存機制的定址方式是:
$$
段地址(選擇子)-----》在GDT中找到描述符----》在描述符中找到段基址----》段基址+偏移量 = 線性地址
$$
不在進入保護模式前準備好選擇子、GDT、描述符,就無法在保護模式中使用記憶體。

作者還有一個疑問:上面的定址過程是CPU自動完成的嗎?

實現描述符

C語言
描述符

下面內容的前提是,32位CPU。

struct {
	int segmentLimit1:16;															// 段界限1
  int segmentBaseAddress1:24;											// 段基址1
  char attributeType:4;														// 段屬性,TYPE
  char attributeS:1;															// 段屬性,S
  char attributeDPL:2;														// 段屬性,DPL
  char attributeP:1;															// 段屬性,P
  char segmentLimit2:4;														// 段界限2
  char attributeAVL:1;														// 段屬性,AVL
  char attributeZero:1;														// 段屬性,值為0
  char attributeDB:1;															// 段屬性,DB
  char attributeG:1;															// 段屬性,G
  char segmentBaseAddress2;												// 段基址2
}GlobalDescriptor;

上面的用法是錯誤的。對位域的使用是錯的,換成int來使用位域也無能力寫正確,因為太麻煩。在這個知識點耗費了不少時間。

參考書中程式碼後,寫出下面的程式碼:

struct{
  unsigned short segmentLimitLow;															// 段界限1,16位,0~15 位。描述符的第 0~15 位。
  unsigned short segmentBaseAddressLow;												// 段基址低16位,0~15 位。描述符的第 16~31 位。
  unsigned char	segmentBaseAddressMid;												// 段基址 16~23 位。描述符的第 32~39 位。
  unsigned char attribute;																		// 段屬性。描述符的第 40~47 位。
  unsigned char segmentLimitHight_attribute2;				// 段界限 16~19 位,第 20~23 位是段屬性。描述符的第 48~55 位。
  unsigned char	segmentBaseAddressHigh;												// 段基址 24~31 位。描述符的第 46~63 位。			
}GlobalDescriptor;

段基址雖然儲存在描述符的第 16~39 位 和第 24~31 位兩段連續的空間中,但用C語言表示它的時候,卻人為地將它拆分成了“低位”、“中位”和“高位”三部分,也就是,把描述符的第 16~39 位拆分成了第 16~31 位和第 32~39 位兩段。在C語言中,沒有現成的能儲存23位的整數型別,卻用能儲存16位和8位的整數型別。將段基址連在一起的24位拆分,用C語言表示更方便。

C語言中的位域

前面已經用到了位域,那就簡單學習一下位域的知識吧。

用兩段程式碼開始。

struct{
	unsigned int age;
	unsigned int height;
}Person;
struct{
	unsigned int age:3;
  unsigned int height:4;
}Person2;

第二段程式碼使用了位域,第一段程式碼是普通的struct結構。位域語法與struct的差異僅在於宣告成員變數的語法不同。

struct結構中,宣告成員變數的語法是unsigned int age。在位域中,宣告成員變數的語法是unsigned int age:3。後者指定了成員變數使用的bit的數量,是3個,而不是1個位元組、8個bit。

第一段程式碼建立的Person佔用8個位元組,第二段程式碼建立的Person2佔用4個位元組。

抽象出位域的成員變數的宣告語法:dataType VariableName:bitCountdataType只能是int系列的整數型別,即只能是intunsigned intsigned int 三種型別,不能是char等型別。這是語法規定。bitCount不能超過8個位元組。

nasm彙編

用匯編語言表示描述符,是作者寫本文的終極目的,前面的一切都是鋪墊和基礎。C語言表示描述符,在前面寫出來,是因為它是作者理解描述符的彙編程式碼的大功臣。作者在看描述符的彙編程式碼前,沒有學過組合語言,所以第一次看描述符的彙編程式碼時,怎麼都理解不了。看了別人寫的描述符的C語言程式碼後,才恍然大悟,突然理解了描述符的的彙編程式碼。

所以,在前文給出描述符的C程式碼,一是為了紀念這個大功臣,二是讓與曾經看不懂彙編程式碼的作者一樣的讀者也能借住C程式碼理解彙編程式碼。當然,可能是作者多慮了,讀者朋友才不會像作者這麼愚鈍呢。

不使用巨集

第一個問題,建立一個描述符,例如DESC_VIDEO,語法是什麼樣的。

第二個問題。描述符的實質是段基址、段界限和段屬性。是直接用程式碼堆砌出描述符呢還是根據給定的段基址、段界限和段屬性經過運算拼湊出描述符?

先解答第二個問題。直接用程式碼堆砌出描述符的彙編程式碼如下:

DESC_VIDEO	dw	3120h																											; 描述符的第 0~15 位
	dw	111Fh																																; 描述符的第 16~31 位
  db	EFh																																	; 描述符的第 32~39 位
  db	42h																																	; 描述符的第 40~47 位
  db	00h																																	; 描述符的第 48~55 位
  db	FFh																																	; 描述符的第 56~63 位

與前面的C程式碼比較,每行對應一個struct的成員變數。從上面的彙編程式碼能看出段基址、段界限和段屬性是什麼嗎?看不出來,需要計算。而且,總不能拿到給定的段基址、段界限和段屬性後,先將它們轉換成二進位制,然後再分割填到上面的程式碼中吧?最好是給定段基址、段界限和段屬性後,經過一段程式碼處理,就自動構建了描述符。這就是下面要寫的方式。

巨集

彙編中的巨集類似C語言中的函式,給定引數,函式會完成一些功能。這個巨集接收段基址、段界限和段屬性,然後生成描述符。

巨集的語法是什麼樣的?建立一個巨集的模板是:

%macro macroName paramCount
	;some code
	;some code
%endmacro

建立描述符的巨集是:

; 三個引數依次是:base(段基址)、limit(段界限)、attribute(段屬性)
; 在巨集中需用到這三個引數時,對應的代號分別是:%1、%2、%3。
; base--32位,limit--20位,attribute--12位
%macro Descriptor	3
	dw	%2 & FFFFh															; 段界限的第 0~15 位。16位
	dw	%1 & FFFFh															; 段基址的第 0~15 位。16位。
	db	(%1 & FF0000h) >> 16										; 段基址的第 16~23 位。8位。
	db	%3 & FFh																; 段屬性的第 0~7 位。48位。
	db	(%2 & F0000) | (%3 >> 8) 								; 段界限的第 16~20 位 和 段屬性的第 8~11 位。56位。
	db	%1 >> 24																; 段基址的第 24~31 位。8位。
%endmacro

使用這個巨集建立一個描述符,程式碼如下:

DESC_VIDEO:	Descriptor	0B8000h		0ffff			0

段屬性是隨便設定的。描述符的段屬性比較複雜。作者暫時沒有弄清楚。

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