任务和特权级保护（二）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记32

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-07-24 11:21 174阅读 0赞

之前做了那么多铺垫，我们终于可以看看第14章的代码了。  
对于引导代码和用户程序，依然采用第13章的；对于内核程序（c14\_core.asm），编译的时候有几行报错了，只要加上`dword`即可解决。

# 1. 为什么要用调用门 #

在第13章，为了能使用内核提供的例程，用户程序是用`call far`指令直接转移到内核例程（非一致代码段）。因为`CPL=目标代码段描述符的DPL=RPL=0`，符合下面表格的条件，所以转移是没有问题的。  
![vd9ahbT.png][]

但是在本章，用户程序工作在3特权级，而非0特权级，所以是无法直接转移的。不过也不用悲观，我们还是有办法的，可以通过调用门来转移。

# 2. 什么是调用门 #

关于调用门的知识，可以参考我的博文：[调用门详解][Link 1]

调用门的格式如下图：  
![Ai52bwJ.png][]

# 3. 调用门的安装 #

811         ;以下开始安装为整个系统服务的调用门。特权级之间的控制转移必须使用门
    812         mov edi,salt                       ;C-SALT表的起始位置 
    813         mov ecx,salt_items                 ;C-SALT表的条目数量 
    814   .b3:
    815         push ecx   
    816         mov eax,[edi+256]                  ;该条目入口点的32位偏移地址 
    817         mov bx,[edi+260]                   ;该条目入口点的段选择子 
    818         mov cx,1_11_0_1100_000_00000B      ;特权级3的调用门(3以上的特权级才
    819                                            ;允许访问)，0个参数(因为用寄存器
    820                                            ;传递参数，而没有用栈) 
    821         call sys_routine_seg_sel:make_gate_descriptor
    822         call sys_routine_seg_sel:set_up_gdt_descriptor
    823         mov [edi+260],cx                   ;将返回的门描述符选择子回填
    824         add edi,salt_item_len              ;指向下一个C-SALT条目 
    825         pop ecx
    826         loop .b3

先复习一下过程`make_gate_descriptor`.

331 make_gate_descriptor: ;构造门的描述符（调用门等） 332 ;输入：EAX=门代码在段内偏移地址 333 ; BX=门代码所在段的选择子 334 ; CX=段类型及属性等（各属 335 ; 性位都在原始位置） 336 ;返回：EDX:EAX=完整的描述符

816~821:调用过程`make_gate_descriptor`构造调用门（请参考调用门的格式），P=1，DPL=3，参数个数=0；  
822：调用过程`set_up_gdt_descriptor`把构造好的调用门安装到GDT中，返回对应的选择子（TI=0，RPL=0）；

264  set_up_gdt_descriptor:                    ;在GDT内安装一个新的描述符
    265                                            ;输入：EDX:EAX=描述符 
    266                                            ;输出：CX=描述符的选择子

823：将返回的调用门选择子回填，覆盖原先的段选择子。如下图（下图是内核符号表中一个表项的示意图）所示：

![rU5Tgu1.png][]

# 4. 调用门的测试 #

828         ;对门进行测试 
    829         mov ebx,message_2
    830         call far [salt_1+256] ;通过门显示信息(偏移量将被忽略)

表面上，这是一个间接绝对远调用，通过指令中的内存地址，可以间接取得32位偏移量和16位的代码段选择子；但是，处理器在执行这条指令的时候，会用选择子访问GDT，结果发现是一个调用门，所以忽略32位的偏移量（上图中的绿色部分）。

调用门安装完成后，GDT的示意图如下：

![3KXf8wS.png][]

不仅间接绝对远调用是这样，直接绝对远调用也是这样，如果选择子指向的是调用门，偏移量也会被忽略。例如

call 0x0040:0x00001234

结合上图，因为0x40处是调用门，所以偏移0x00001234被忽略。

# 5. 加载用户程序与创建用户任务 #

## 5.1 任务控制块（Task Control Block，TCB） ##

### 5.1.1 TCB的格式 ###

加载程序并创建一个任务，需要用到很多数据，比如程序大小、加载位置等等。内核应当为每一个任务创建一个内存区域，来记录任务的信息和状态，这个内存区域就称为任务控制块（Task Control Block，TCB）。  
需要说明的是：TCB不是处理器的要求，而是我们为了自己方便而发明的。  
关于TCB的结构，如原书图14-12（P264）。为了读者方便，我在这里把图再绘制一遍。

![9aGst3y.jpg][]

请注意，这个格式是作者发明的，并不是说TCB就必须是这种格式。

### 5.1.2. TCB链表 ###

为了能够追踪所有的任务，可以把每个TCB串起来，形成一个链表。  
在代码的核心数据段中，声明了标号`tcb_chain`，初始化了一个双字，值为0.

413         ;任务控制块链
    414         tcb_chain        dd  0

其实，这相当于一个指针，用来指向第一个任务的TCB。当它为0时，表示没有任务。所有任务都按照被创建的先后顺序链接在一起形成一个**无头单向非循环**链表。

835         ;创建任务控制块。这不是处理器的要求，而是我们自己为了方便而设立的
    836         mov ecx,0x46
    837         call sys_routine_seg_sel:allocate_memory 838 call append_to_tcb_link ;将任务控制块追加到TCB链表

以上三行用于分配TCB的空间（0x46字节），然后把这个TCB挂到链表上（尾插法）。

## 5.2. 加载用户任务 ##

840         push dword 50                      ;用户程序位于逻辑50扇区
    841         push ecx                           ;压入任务控制块起始线性地址 
    842       
    843         call load_relocate_program

以上三行用于加载和重定位用户程序。

### 5.2.1. 使用栈传递参数 ###

464   load_relocate_program:                   ;加载并重定位用户程序
    465                                            ;输入: PUSH 逻辑扇区号
    466                                            ; PUSH 任务控制块基地址
    467                                            ;输出：无 
    468         pushad
    469      
    470         push ds
    471         push es
    472      
    473         mov ebp,esp                        ;为访问通过堆栈传递的参数做准备

这是过程`load_relocate_program`开头的几行，执行完第473行后，栈的状态如下图所示：  
![53Y7CAv.png][]

这里主要是复习如何用栈传递参数。需要说明的是：  
1. 用EBP寄存器来寻址的时候，默认使用段寄存器SS；  
2. 在32位模式下，栈操作的默认操作数大小是双字；  
3. 处理器执行压栈指令的时候，如果发现操作数是段寄存器，则将段寄存器的16位值扩展为32位（高16位全0），然后执行压栈操作；出栈指令执行相反的操作，将32位的值截断，仅保留低16位，并传送到相应的段寄存器；  
4. 由于`load_relocate_program`是通过32位近调用进入的（第843行），所以只压入EIP的内容，没有压入CS；

475         mov ecx,mem_0_4_gb_seg_sel
    476         mov es,ecx
    477      
    478         mov esi,[ebp+11*4]                 ;从堆栈中取得TCB的基地址

以上三行执行完后，ES指向0-4GB数据段；ESI指向TCB的基地址。

### 5.2.2. 在TCB中填写LDT的基地址和初始界限值 ###

GDT一般用于存放全局空间的段描述符。对于任务私有的段描述符，也可以放在GDT中，但是最好放在自己私有的LDT中。

480         ;以下申请创建LDT所需要的内存
    481         mov ecx,160                        ;允许安装20个LDT描述符
    482         call sys_routine_seg_sel:allocate_memory
    483         mov [es:esi+0x0c],ecx              ;登记LDT基地址到TCB中
    484         mov word [es:esi+0x0a],0xffff      ;登记LDT初始的界限到TCB中

### 5.2.3. 从硬盘加载用户程序到内存 ###

1.  ES指向0-4GB数据段；ESI指向TCB基地址；
2.  根据头部信息确定用户程序需要多大的内存；
3.  分配内存，并登记用户程序在内存中的基地址到TCB；
4.  循环调用`read_hard_disk_0`加载用户程序；

### 5.2.4. 在LDT中安装描述符 ###

1.  安装头部段、代码段、数据段以及固有栈栈段的描述符（DPL=3）；
2.  这些描述符对应的选择子（令其RPL=3）要回填到用户程序头部；在LDT中安装的描述符，通常只由用户程序自己使用，所以请求者是用户程序自己，所以其选择子的RPL=用户程序的CPL=3；
3.  头部段的选择子（令其RPL=3）还要登记到TCB中。

用户程序的头部的格式和第13章完全相同。  
![20160416112737141][]

### 5.2.5. 重定位符号表 ###

这个过程和第13章的基本相同。注意，用户符号表中的调用门选择子，其RPL=3；  
![ZWct2x7.png][]

### 5.2.6 创建0、1、2特权级的栈 ###

通过调用门的控制转移，有可能会改变CPL。如果通过调用门把控制转移到了更高特权级的非一致代码段中，那么CPL就会被设置为目标代码段的DPL值，并且会引起堆栈切换。

为此，必须为每个任务定义额外的栈。对于我们的用户任务，需要为它创建特权级0、1、2的栈。而且，这些栈应当在LDT中有对应的段描述符。

这些栈是内核为用户程序动态创建的，而且需要登记在TSS中，以便处理器固件能够自动访问到它们。不过目前我们还没有创建TSS，所以，有必要先将这些栈的信息登记在TCB中暂时保存（如下图）。  
![LrQpvWX.png][]

创建x（x=0,1,2）特权级的栈的步骤如下：  
1. 申请内存，为栈分配空间；  
2. 在LDT中创建栈段描述符（DPL=x）；  
3. 在TCB中登记栈的信息，包括栈的大小、基地址、选择子（RPL=x）以及ESPx的初始值（=0）；  
我觉得栈的大小和基地址的登记是没有必要的，因为TSS中不需要填写这些字段。

囿于篇幅，本文就到这里。劳逸结合，休息一下…

【未完待续】

[vd9ahbT.png]: http://i.imgur.com/vd9ahbT.png
[Link 1]: http://blog.csdn.net/longintchar/article/details/51439689
[Ai52bwJ.png]: http://i.imgur.com/Ai52bwJ.png
[rU5Tgu1.png]: http://i.imgur.com/rU5Tgu1.png
[3KXf8wS.png]: http://i.imgur.com/3KXf8wS.png
[9aGst3y.jpg]: http://i.imgur.com/9aGst3y.jpg
[53Y7CAv.png]: http://i.imgur.com/53Y7CAv.png
[20160416112737141]: /images/20220722/32677614d9c740c3add073c2257ad316.png
[ZWct2x7.png]: http://i.imgur.com/ZWct2x7.png
[LrQpvWX.png]: http://i.imgur.com/LrQpvWX.png