【日拱一卒行而不辍20221003】自制操作系统-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/bear_miao/article/details/127149388

保护模式

在保护模式下，依旧采用段:偏移的形式来进行寻址。只不过这时候的段值并非真实的地址了，而是一个索引，这个索引指向一个表，表里定义了起始地址、属性等信息。

换句话说，对内存进行操作的时候，需要找到操作对象所对应的一个索引，通过索引找到操作的起始地址，再加上偏移量找到具体地址。

这种寻址方式安全的地方就在于，对内存的操作必须通过一段规范的索引表单，从而避免了对内存的随意访问修改。

再者，由于索引的存在，在每次使用索引的时候会有相应的使用记录，这样的记录确保了访问的安全性，这也是保护模式中“保护”二字的重要体现。

注意一个段描述符只能用来定义一个内存段。

加载 gdt 这种操作模式好多地方都是通用的，cpu 会有很多与操作系统相互打配合的地方，这个就是其中之一。

配合关系就是 cpu 定义好一个数据结构，再给你一个寄存器。

操作系统一般负责做三件事情

负责在内存中某位置按照这个数据结构写一堆数据；
把在内存的哪个位置这个信息（起始地址），存在 cpu 预留的寄存器里。一般会有一条专门的指令，比如 lgdt
操作系统将 cpu 某寄存器中的某标志位置1

然后就开启了这个功能，段描述符表、页表、TSS亦是如此。

其实实模式下就已经是段选择子的工作模式了，只不过对应寄存器的值设置得跟凑巧，以至于表现起来跟使用了段寄存器模式一样。

X86寄存器表示图

在x86下.我们可以看如下寄存器表示图.

寄存器名称	段选择子(Select)	段属性(Attributes)	段基址(Base)	段长(Limit)
ES(附加扩展段)	0x0023	可读,可写	0x0000000	0xFFFFFFFF
CS(代码段)	0x001B	可读,可执行	0x00000000	0xFFFFFFFF
SS(堆栈段)	0x0023	可读,可写	0x00000000	0xFFFFFFFF
DS(数据段)	0x0023	可读,可写	0x00000000	0xFFFFFFFF
FS(分段机制)	0x003B	可读,可写	0x7FFDF000	0xFFF
GS	未使用	未使用	未使用	未使用

可以发现CS SS DS ES的段基址均为0x00000000,长度均为0xFFFFFFFF，8个F表示4G。

可见偏移部分也可以实现4G的地址索引，地址索引只用偏移部分就可以了。

96位的段寄存器中有16位可见部分是段选择子，处理器就是通过它去段描述符中加载不可见的80位加入到段寄存器中。所以段选择子并不直接指向段，而是指向定义段的段描述符。

处理器根据段选择子中的Index来获得需要的段描述符的地址，以此来加载隐藏的80位。

处理器不使用GDT的第一个条目。指向GDT的此条目的段选择器(即索引为0且TI标志设置为0的段选择器)被用作“空段选择器”。当段寄存器（除了CS或SS寄存器）加载了空选择器时，处理器不会产生异常。但是，当使用持有空选择器的段寄存器来访问内存时，它确实会产生一个异常。空选择器可用于初始化未使用的段寄存器。加载带有空段选择器的CS或SS寄存器会导致生成通用保护异常。

[SECTION .gdt]
; GDT
;                           段基址,       段界限, 属性
LABEL_GDT:          Descriptor 0,              0, 0                      ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL:  Descriptor 0,         0ffffh, DA_DRW                 ; Normal 描述符
LABEL_DESC_FLAT_C:  Descriptor 0,        0fffffh, DA_CR|DA_32|DA_LIMIT_4K; 0~4G
LABEL_DESC_FLAT_RW: Descriptor 0,        0fffffh, DA_DRW|DA_LIMIT_4K     ; 0~4G
LABEL_DESC_CODE32:  Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_CR|DA_32            ; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_CODE16:  Descriptor 0,         0ffffh, DA_C                   ; 非一致代码段, 16
LABEL_DESC_DATA:    Descriptor 0,      DataLen-1, DA_DRW                 ; Data
LABEL_DESC_STACK:   Descriptor 0,     TopOfStack, DA_DRWA|DA_32          ; Stack, 32 位
LABEL_DESC_VIDEO:   Descriptor 0B8000h,   0ffffh, DA_DRW                 ; 显存首地址
; GDT 结束

段的基址均为0，结合分页机制，就可以实现用纯偏移进行虚拟内存的索引。

处理器要根据段选择子找到需要的段描述符，以此填充段选择子的隐藏的80位的内容，此时的段选择子就代表了一个段。但是，在一个多任务中通常会同时存在着很多个任务，每个任务会涉及多个段，每个段都需要一个段描述符，因此系统中会有很多段描述符，为了方便管理，系统用线性表来存放段描述符。根据用途不同，IA-32处理器有3中描述符表：全局描述符表(GDT)，局部描述符表(LDT)和中断描述符表(IDT)。

GDT是全局的，一个系统中通常只有一个GDT，供系统中的所有程序和任务使用。

LDT与任务有关，每个任务可以有一个LDT，也可也让多个任务共享一个LDT。

IDT的数量是和处理器的数量相关的，系统通常会为每个CPU建立一个IDT。

GDTR和IDTR寄存器分别用来标识GDT和IDT的基地址和边界。这两个寄存器的格式是相同的，在32位模式下，长度是48位，高32位是基地址，低16位是边界。

LGDT和SGDT指令分别用来读取和设置GDTR寄存器。

LIDT和SIDT指令分别用来读取和设置IDTR寄存器。

操作系统在启动初期会建立GDT和IDT并初始化GDTR和IDTR寄存器。