作業系統---IO許可權管理和敏感指令

東垂小夫發表於2021-03-03
作業系統

簡化版

使用IOPL設定一個特權級的使用者程式對所有埠的訪問許可權，使用I/O點陣圖對一個特權級的使用者程式設定個性化的埠訪問許可權（能訪問部分埠、不能訪問另外的埠）。

使用者程式的CPL<IOPL，使用者程式能訪問所有埠。否則，從I/O點陣圖中查詢使用者程式對埠的訪問許可權。

IOPL儲存在eflags中，只能在0特權級的下通過popf、iretd修改。

I/O點陣圖儲存在TSS中。

I/O操作也可以看作一種特權資源，也有“訪問門檻”。程式碼段和資料段的訪問“門檻”是DPL，儲存在段描述符中。

I/O操作的訪問門檻儲存在eflags的IOPL位。但是否具有I/O操作的許可權，還受I/O點陣圖影響。

敏感指令是指這些指令：in、ins、out、outs、pof、iretd。

IOPL

規則

數值上，CPL <= IOPL，許可權上，當前程式碼段的特權級高於或等於IOPL中儲存的特權等級，當前程式碼段才能執行I/O操作。

CPL = 0，使用者程式才能執行敏感指令。

eflags

eflags是flags的32位擴充套件暫存器，保護許多標誌位，例如cf、zf等。IOPL也儲存在eflags中，佔用2個bit，正好能表示四個特權級：00、01、10、11。

更新

沒有能直接更新eflags的指令，只能間接修改eflags從而修改IOPL。方法是使用兩個指令：popf和iretd。

只有特權級是0的使用者程式才能成功修改eflags中的IOPL。特權不是0的使用者程式也能執行popf和iretd來修改IOPL，只不過修改無效，也就是說，能執行、無效果、不報錯。

popf

popf的示意程式碼如下：

pushf		; 把eflags中的值入棧
mov			[esp],  要更新到eflags中的值
popf		; 把棧中的值儲存到eflags

popf除了能修改IOPL，還能修改IF。這不難理解。因為popf是把棧中的整個符合eflags結構的資料更新到eflags中，只需把那個結構的IF位修改為目標值就能修改eflags中的IF位。

popf用來修改IF位的時候，和sti、cli一樣是敏感指令，需要滿足特權級檢查規則：CPL <= IOPL。

popf用來修改IOPL位的時候，需要滿足特權級檢查規則：CPL = 0。

同一個指令，修改的內容不同，需滿足的特權級檢查規則不同，這種設計，不好。若我來設計，我會設計成兩個指令，每個指令完成各自的功能。

iretd

中斷髮生時，eflags會入棧中斷例程的堆疊。修改這個堆疊中的eflags的值，然後再使用iretd就能把棧中的新eflags值更新到eflags中。

IO點陣圖

IOPL對一個特權級的所有使用者程式的I/O許可權做“一刀切”的限制，要麼這個特權級的所有使用者程式擁有所有埠的I/O許可權，要麼擁有0個埠的I/O許可權。IO點陣圖允許對每個使用者程式在I/O埠限制上做個性化配置。

如果使用者程式的CPL <= IOPL，那麼，IO點陣圖的值是多少不影響使用者程式的I/O許可權。如果使用者程式的CPL > IOPL，那麼，IO點陣圖的值決定了使用者程式能讀寫哪些I/O埠。

點陣圖

點陣圖，又叫bitmap。一個bit能表示兩種值，0或1。1kb的空間擁有1024個bit，1Mb的空間擁有1024*1024個bit。

假如我們的硬體一共有65536個I/O埠，只需要8Kb的空間就能標識出這麼多埠的許可權狀態。給8kb空間中的65536個bit依次編號，若第0號I/O埠在能被當前使用者程式讀寫，將此bit設定為1，否則設定為0；剩餘的第1到第65535個bit依次按對應的I/O埠依次設定值。

TSS的尺寸

如果使用者程式存在I/O點陣圖，它將出現在使用者程式的TSS的頂端。正因為如此，TSS的尺寸是不固定的。如果不包含I/O點陣圖，TSS的尺寸是104位元組。如果包含I/O點陣圖，TSS的尺寸是“I/O點陣圖地址 + 8192位元組 + 1位元組”。

包含/IO點陣圖，TSS的尺寸為什麼不是“104位元組 + 8192位元組 + 1位元組”？

因為I/O點陣圖有可能不是緊挨著儲存"I/O點陣圖地址"的那個 位元組，二者之間可能有空白空間。I/O點陣圖地址是I/O點陣圖在TSS中的偏移量，注意，I/O點陣圖在TSS中，它與TSS中的其他元素都在TSS中。也就是說，從TSS的初始位置開始到I/O點陣圖地址，也許包含部分沒有儲存資料的空間，都是TSS的一部分。TSS的空間被I/O點陣圖地址分割為兩個部分，前一部分的大小是I/O點陣圖地址，後一部分是8192個位元組（65536個埠需要65536個bit）+1位元組（點陣圖的結束標誌必須是0xff）。

說得簡單點，就是，I/O點陣圖和TSS中的其他元素可能不是緊緊挨著。

0xff

點陣圖為什麼要用0xff作為結束標誌？我沒有弄明白。

程式碼

不知道TSS中的保留位是什麼，更不知道怎麼在程式碼中表示保留位。這裡的程式碼只保證正確表示I/O點陣圖。

怎麼寫程式碼？

  1. 表示I/O點陣圖地址、I/O點陣圖自身。
  2. I/O點陣圖自身
    1. 全部bit的數量並不一定需要是65536個。
    2. 只需用0xff結尾就行。
[SECTION .tss3]
LABEL_TSS3:
			;TSS中的其他元素
			; 最糾結的語句。$ - LABEL_TSS3是當前行在TSS中的偏移量。
			; 本語句佔用2個位元組，2個位元組之後是I/O點陣圖。
			dw		$ - LABEL_TSS3 + 2
times		 12		 db 	0ffh					; 12個位元組，96個bit，都設定為1，表示當前使用者程式有埠0到埠95的讀寫許可權。
			; 埠96到102只有埠97對當前使用者程式開放了讀寫許可權。從右到左編號，所以第2個0表示97號埠。
			db		1111101b	
      ; I/O點陣圖的結束標誌
      db		0xff


TSS3_LEN			equ				$$ - LABEL_TSS3

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