保护模式笔记四 段描述符结构

lyl610abc

前言

所有保护模式索引链接：保护模式笔记一 保护模式介绍

先前了解了段描述符和段选择子之间的对应关系，继续深入学习段描述符的结构

段描述符结构

数据位	31-24	23	22	21	20	19-16	15	14-13	12	11-8	7-0
含义	Base	G	D/B	0	AVL	Seg.Limit	P	DPL	S	Type	Base
解释	基地址	粒度	默认操作大小	固定为0	用于系统软件使用	段大小限制	有效位	特权等级	描述符类型	段类型	基地址

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数据位	31-16	15-0
含义	Base Adress	Segment Limit
解释	基地址	段大小限制

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段描述符与段寄存器的对应关系

段寄存器组成	Base	Limit	Attribute
数据宽度	32位	32位	16位
描述	基地址（当前段的起始地址）	大小限制（当前段的整个长度）	属性（当前段是否可读可写可执行）
对应段描述符	段描述符中的3段base	段描述符中的2段limit和G位共同决定
对应位	高4字节:24～31 0～7 ，低4字节:16～31	高4字节:16～19，低4字节:0～15	高4字节:8～23

P位

当段描述符加载至段寄存器时，CPU首先要做的事就是检查段描述符的P位

	P==0	P==1
含义	该段描述符无效	该段描述符有效

也就是说：P位决定了该段描述符是否有效

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G位

CPU判断完段描述符P位有效后，还需要判断地址是否超出Limit

但会发现这里的Limit分为了两段，但两段的总长度也只有4+16=20位，和段寄存器中的Limit的32位不匹配

这里的Limit的最大表示范围是：0～2的20次方-1=0～0xFFFFF

而段寄存器中的Limit的最大表示范围是：0～2的32次方-1=0～0xFFFFFFFF

很显然现在的Limit无法表示段寄存器中的Limit了，为了解决这个问题，引入了G位：粒度（用来表示Limit的单位）

	G==0	G==1
含义	limit以字节为单位	limit以4096=2的12次方 字节为单位
表示范围	0～0xFFFFF	0xFFF～0xFFFFFFFF

也就是说：G位决定了limit的单位

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S位

S位用来标记当前描述符的类型

	S==0	S==1
含义	系统段描述符	代码段或数据段描述符

段描述符可以分为系统描述符、代码段描述符和数据段描述符

根据S位的不同（描述符类型的不同）对应的Type域也不同

也就是说：S位决定了Type域的含义

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Type域

Type占据了第11位到第8位，共4位

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S位为1时

当S==1时，该段描述符为代码段描述符或者数据段描述符

十进制	11	10	9	8	描述符类型	描述
		E(是否向下扩展)	W(是否可写)	A(是否可访问)
0	0	0	0	0	数据段描述符	只读
1	0	0	0	1	数据段描述符	只读，可访问
2	0	0	1	0	数据段描述符	可读可写
3	0	0	1	1	数据段描述符	可读可写可访问
4	0	1	0	0	数据段描述符	只读，向下扩展
5	0	1	0	1	数据段描述符	只读，向下扩展，可访问
6	0	1	1	0	数据段描述符	可读可写，向下扩展
7	0	1	1	1	数据段描述符	可读可写，向下扩展，可访问
		C(是否可以从较低的特权级别调用)	R(是否可读)	A(是否可访问)
8	1	0	0	0	代码段描述符	只可执行
9	1	0	0	1	代码段描述符	只可执行，可访问
10	1	0	1	0	代码段描述符	可执行可读
11	1	0	1	1	代码段描述符	可执行可读，可访问
12	1	1	0	0	代码段描述符	只可执行，可从较低特权级别调用
13	1	1	0	1	代码段描述符	只可执行，可从较低特权级别调用，可访问
14	1	1	1	0	代码段描述符	可执行可读，可从较低特权级别调用
15	1	1	1	1	代码段描述符	可执行可读，可从较低特权级别调用，可访问

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主要说明一下向下扩展和非向下扩展(向上扩展)：

向上扩展就是：该段描述符所描述的地址的有效范围是从Base开始到Base+Limit结束

为下图中的红色部分：

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与之相反，向下扩展则是：该段描述符所描述的地址的有效范围是除了 从Base开始到Base+Limit结束 之外的部分

为下图中的红色部分

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S位为0时

当S==0时，该段描述符为系统描述符

系统描述符有分为以下类型：

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十进制	11	10	9	8	描述
0	0	0	0	0	保留
1	0	0	0	1	16位 任务状态段TSS(可用)
2	0	0	1	0	LDT
3	0	0	1	1	16位 任务状态段TSS(繁忙)
4	0	1	0	0	16位 调用门
5	0	1	0	1	任务门
6	0	1	1	0	16位 中断门
7	0	1	1	1	16位 陷阱门
8	1	0	0	0	保留
9	1	0	0	1	32位 任务状态段TSS(可用)
10	1	0	1	0	保留
11	1	0	1	1	32位 任务状态段TSS(繁忙)
12	1	1	0	0	32位 调用门
13	1	1	0	1	保留
14	1	1	1	0	32位 中断门
15	1	1	1	1	32位 陷阱门

关于系统描述符中的TSS、调用门、中断门、陷阱门 留作之后的笔记，这里不再展开

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Type域决定了当前段的属性

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D/B位

D/B位分别作用于3种情况：

1. 对CS段的影响
2. 对SS段的影响（SS段也属于数据段）
3. 对向下扩展的数据段的影响

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	D/B == 0	D/B == 1
CS段	采用16位寻址方式	采用32位寻址方式
SS段	使用16位堆栈指针寄存器SP	使用32位堆栈指针寄存器ESP
向下扩展的数据段	段上限为64KB	段上限为4GB

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主要说明一下对 向下扩展的数据段的影响

D/B位为1时

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D/B位为0时

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DPL

DPL=Descriptor privilege level(描述符特权等级)为：访问这个描述符所需的特权级别(环ring)

关于段的权限检查，留作之后的笔记，这里不再展开

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根据结构分析段描述符

大致了解了段描述符的结构后，就可以通过结构来分析一个段描述符了

给出的示例段描述符为：00cffb00`0000ffff

先转换成二进制：0000 0000 1100 1111 1111 1011 0000 0000 ` 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111

按照对应的格式填入：

数据位	31-24	23	22	21	20	19-16	15	14-13	12	11-8	7-0
含义	Base	G	D/B	0	AVL	Seg.Limit	P	DPL	S	Type	Base
解释	基地址	粒度	默认操作大小	固定为0	用于系统软件使用	段大小限制	有效位	特权等级	描述符类型	段类型	基地址
数值	00000000	1	1	0	0	1111	1	11	1	1011	00000000

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数据位	31-16	15-0
含义	Base Adress	Segment Limit
解释	基地址	段大小限制
数值	0000000000000000	1111111111111111

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P位

此时P位为1，表明当前的段描述符有效

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G位

此时的G位为1，表明此时limit以4096字节为单位

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Limit

此时的Limit为0xFFFFF，但其单位为4096字节，于是Limit等于0xFFFFF FFF 字节

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S位

此时的S位为1，表明该段描述符为代码段描述符或者数据段描述符

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Type域

此时的Type域为1011，表明该段描述符为代码段描述符，且可执行可读，可访问

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D/B位

此时的D/B位为1，表明此时采用32位寻址方式

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DPL

此时的DPL为11，表明访问这个描述符所需的特权级别为ring3(应用层)

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说明

此篇笔记大体介绍了段描述符的结构，以及如何通过结构来解析一个段描述符的含义

目前还剩下段的权限检查和系统描述符没有具体说明，留作之后的笔记(￣(￣　)

minibeetuaman

lyl610abc 发表于 2021-4-13 12:02
从0x7c00是什么意思

开机之后bios把mbr里面的代码加载到这个固定的物理地址开始执行，然后才是各种初始化以及实模式转保护模式

lyl610abc

minibeetuaman 发表于 2021-4-13 09:13
类似读书笔记类的东西，建议把从0x7c00到转入保护模式这一阶段综合起来，不然新手看得云里雾里

从0x7c00是什么意思

cdfox

谢谢分享

江篱

谢谢分享

sam喵喵

这些标志位置是都得记住？

minibeetuaman

类似读书笔记类的东西，建议把从0x7c00到转入保护模式这一阶段综合起来，不然新手看得云里雾里

Zoro.

666666666666666666666666666666

lyl610abc

sam喵喵 发表于 2021-4-13 09:01
这些标志位置是都得记住？

能记住自然最好，记不住的话就把每个标志位的含义记下就好

辉哥j

我去，大佬你真的勤快，我每天都看到你更新