TSS的定义

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/* author: mik
 * project: pm_simulation (一个保护模式行为模拟器)
 *
 * tss.h 这个文件描述TSS块
 */
 
 
#ifndef __TSS__
#define __TSS__
 
 
/* 定义 TSS  */
typedef struct TASK_STATE_SEG {
    unsigned link : 16;          /* TSS selector link */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned esp0;               /* 0 privilege-level stack pointer */
    unsigned ss0 : 16;           /* 0 privilege-level stack ss register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned esp1;               /* 1 privilege-level stack pointer */
    unsigned ss1 : 16;           /* 1 privilege-level stack ss register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned esp2;               /* 2 privilege-level stack pointer */
    unsigned ss2 : 16;           /* 2 privilege-level stack ss register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned cr3;                /* CR3 register */
    unsigned eip;                /* EIP register */
    unsigned eflags;             /* EFLAGS register */
    unsinged eax;                /* EAX register */
    unsigned ecx;                /* ECX register */
    unsinged edx;                /* EDX register */
    unsigned ebx;                /* EBX register */
    unsigned esp;                /* ESP register */
    unsigned ebp;                /* EBP register */
    unsigned esi;                /* ESI register */
    unsigned edi;                /* EDI register */
    unsigned es : 16;            /* ES segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned cs : 16;            /* CS segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned ss : 16;            /* SS segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned ds : 16;            /* DS segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned fs : 16;            /* FS segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */
    unsigned gs : 16;            /* GS segment register */
    unsigned : 16;               /* reserved */

    unsigned t : 1;              /* T filed */
    unsigned : 15;               /* reserved */
    unsigned iomap_base : 16;    /* i/o bitmap base address */
   
} __attribute__((packed)) TSS;
 
#endif
 

### TSS 技术内容概述 TSS(Task State Segment,任务状态段)是 x86 架构中用于支持任务切换的一种数据结构。它主要用于存储任务的上下文信息,包括寄存器状态、堆栈指针、I/O 权限等。TSS 在任务切换过程中起到关键作用,使得处理器能够保存当前任务的状态并恢复新任务的状态。 #### TSS 的结构与寄存器 TSS 是一个特殊的段,其结构由操作系统定义,通常包含以下内容: - **通用寄存器**:如 EAX、EBX、ECX、EDX 等。 - **段寄存器**:CS、DS、SS、ES、FS、GS。 - **指令指针寄存器**:EIP。 - **标志寄存器**:EFLAGS。 - **堆栈指针**:ESP 和 SS。 - **链接字段**:用于任务链的链接指针。 - **I/O 权限位图**:控制对 I/O 端口的访问权限。 TSS 由任务寄存器(TR)指向,TR 保存了当前任务的 TSS 描述符选择子,并包含了一些隐藏的非编程字段,如 TSS 的基地址和段界限。通过 TR,处理器可以直接访问 TSS,而无需从 GDT(全局描述符表)中查找 TSS 的地址 [^1]。 #### TSS 在任务切换中的作用 在 x86 架构中,任务切换可以通过 `JMP` 或 `CALL` 指令跳转到另一个任务的 TSS 描述符来实现。当执行任务切换时,处理器会自动保存当前任务的上下文到当前 TSS 中,并从目标 TSS 中加载新任务的上下文。这种方式虽然提供了硬件级别的任务切换机制,但其性能并不理想。例如,`ljmp` 指令实现任务切换大约需要 200 多个时钟周期 [^2]。 由于硬件任务切换的开销较高,现代操作系统如 Linux 和 Windows 并未采用 TSS 进行任务切换,而是通过软件方式使用堆栈来实现上下文切换。这种方式不仅提高了性能,还允许利用指令流水线的并行优化技术,简化了 CPU 的设计 [^2]。 #### TSS 在操作系统中的应用 尽管现代操作系统不使用 TSS 进行任务切换,TSS 仍然在某些场景中发挥作用。例如,在 Linux 中,TSS 被用来处理中断和异常,确保在进入特权级切换时能够正确加载内核堆栈指针(ESP0)。每个 CPU 核心都有一个对应的 TSS,用于保存中断处理时使用的堆栈信息。 以下是一个简化的 Linux TSS 初始化示例: ```c struct tss_struct { unsigned short back_link, __blh; unsigned long esp0; unsigned short ss0, __ss0h; unsigned long esp1; unsigned short ss1, __ss1h; unsigned long esp2; unsigned short ss2, __ss2h; unsigned long cr3; unsigned long eip; unsigned long eflags; unsigned long eax, ecx, edx, ebx; unsigned long esp, ebp, esi, edi; unsigned short es, __esh; unsigned short cs, __csh; unsigned short ss, __ssh; unsigned short ds, __dsh; unsigned short fs, __fsh; unsigned short gs, __gsh; unsigned short ldt, __ldth; unsigned long t; unsigned long iomb; } __attribute__((packed)); // 初始化 TSS void init_tss(struct tss_struct *tss, unsigned long esp0) { memset(tss, 0, sizeof(*tss)); tss->ss0 = KERNEL_DS; // 设置内核数据段 tss->esp0 = esp0; // 设置内核堆栈指针 tss->eflags = 0x202; // 设置默认的 EFLAGS 值 } ``` #### TSS 在其他领域的应用 除了在操作系统中的任务切换和中断处理中使用外,TSS 还可以出现在其他技术领域。例如,在海缆探测中,TSS350 是一种用于测量海缆埋深的设备。它通过剖面声呐扫描基准海床面,并结合软件处理和人工过滤,提供精确的埋深数据。然而,这种数据处理过程较为耗时,例如对 6km 海缆、每米一个测点的情况,大约需要 12 小时进行数据处理 [^3]。 ### TSS 的优缺点 **优点:** - 提供了硬件级别的任务切换机制。 - 可用于中断处理和特权级切换。 - 简化了上下文保存和恢复的操作。 **缺点:** - 硬件任务切换性能较低,开销较大。 - 不支持现代多核处理器的复杂调度需求。 - 实现复杂,调试困难。 ---
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