Bran的内核开发指南(5)

全局描述表(GDT)

　　386的各种保护措施的一个重要组成部分是 全局描述表(Global Descriptor Table)，也就是 GDT。GDT为内存的特定部份定义基本访问权限。我们能使用GDT的一个入口来建立一种程序段异常处理机制：让内核能终止一个正在执行非法操作的程序。大部分 现代操作系统使用叫做“内存分页”的内存管理模式来实现这一点：这可以更灵活而且弹性更高。GDT同时还能定义内存中的某个区域是可被执行的，还是数据。GDT也能 定义任务状态分段(TSSes)。TSS被用在基于硬件的多任务处理系统[译者注：如SMP,对称多处理器系统]中，我们 就不在这里讨论了。但请记住，TSS并不是实现多任务处理的唯一方法。

　　你会发现GRUB已经为你安装了一个GDT，但是如果我们覆盖了GRUB使用的那部分内存，GDT将会失效， 并且会产生被称为“三键错误”[译者注：triple fault，三键即热启动的那个三个键]。简而言之， 发生错误后，计算机会重启。解决这个问题的方法是在一段我们知道 地址并且可以访问的内存上建立我们自己的GDT。这包括构造 新的GDT, 告诉处理器它在内存中的地址，最后用我们 新的入口数据加载CPU的CS、DS、ES、FS 和GS寄存器。CS寄存器就是代码段。它将 告诉CPU进入GDT的偏移量。这将获得执行当前代码的权限。DS寄存器是相似的功能，但它不是针对代码，而是针对数据段，它定义的是当前数据的权限。ES、FS、和GS寄存器只不过是DS寄存器 的替代品，对我们并不重要。

　　GDT本身就是一连串的64字长的入口。这些入口定义了允许操作的内存区域从哪里开始，哪里结束，同时定义了每个入口的权限。一个通常的规则是GDT的第一个入口，入口0，就是我们知道的NULL描述符。任何寄存器都不能被设置为0，否则将发生一般性保护错误(General Protection fault)，这是CPU的一项保护特征。一般性保护错误和其它的一些异常将在下一章中断服务例程(ISR)中进行详细说明。

　　每一个GDT入口同时也定义处理器正在运行的当前片段是系统程序在占用(Ring 0)还是应用程序在占用(Ring 3)。当然还有其他类型，但是那些并不重要。当今主要的操作系统只使用Ring 0和Ring 3。有一条基本规则：任何试图访问系统或Ring 0数据的应用程序都将会引起异常。这种保护措施用于保护内核免遭应用程序的破坏 。在GDT作用范围内，Ring等级告诉CPU它是否被允许执行特定的指令。某些指令的权限很高，意味着它只能在较高的Ring等级上运行。这样的例子有cli和sti指令。它们分别禁用和启用中断。如果一个应用程序被允许使用汇编指令cli或sti，那么它就可以 有效地使内核停止运行。你将在后面的章节学到更多的中断。

　　每个GDT入口的通道和粒度可以这样被定义：

　　7 6 5 4 3 0

　　

　　P DPL DT Type

　　

　　P - 这是当前的段吗？(1 = Yes)

　　DPL - 哪个Ring等级(0 to 3)

　　DT - 描述符类型

　　Type - 什么类型？

　　

　　

　　

　　7 6 5 4 3 0

　　

　　G D 0 A Seg Len. 19:16

　　

　　G - 粒度(0 = 1byte, 1 = 4kbyte)

　　D - 操作数大小(0 = 16bit, 1 = 32-bit)

　　0 - 永远是0

　　A - 系统可见(总被设置为0)

　　

　　在这本内核指南里，我们只用3个入口来创建一个GDT。为什么是3个？我们需要在一开始有一个“哑元”(dummy)描述符来为作为处理器的内存保护功能的NULL段。 我们需要为代码段(Code Segment)和数据段(Data Segment)寄存器各准备一个入口。我们用汇编操作符lgdt来告诉CPU新的GDT在哪里。需要给'lgdt'一个指向特殊的48-bit结构的指针 。因为GDT的限制，这个特殊的48-bit结构由16-bits(同样，当我们使用一个在GDT中不存在的段时，内核需要它来产生一般性保护错误)和32-bits(存储GDT自身的地址)构成。

　　我们可以用一个3入口的简单数组来定义GDT. 对于这个特殊的GDT指针，我们只需要申明一个。 我们把它叫做gp。创建一个新文件gdt.c。按指南前部分提到的方法在build.bat中添加内容，以便让GCC来执行编译工作。我再一次提醒你：为了创建内核，你需要把gdt.o添加到LD连接器的文件列表里。下面是gdt.c前半部分的源码，请仔细分析:

　　#include

　　

　　/* 定义一个GDT入口. 我们称之为包装,因为

　　* 他阻止编译器做他认为最好的事：用包装的方法阻止

　　* 编译器进行所谓的“优化” */

　　struct gdt_entry

　　{

　　unsigned short limit_low;

　　unsigned short base_low;

　　unsigned char base_middle;

　　unsigned char access;

　　unsigned char granularity;

　　unsigned char base_high;

　　} __attribute__((packed));

　　

　　/* 包括如下界限的特殊指针: GDT开始的最大字节, 负1.

　　* 同样，这需要被包装 */

　　struct gdt_ptr

　　{

　　unsigned short limit;

　　unsigned int base;

　　} __attribute__((packed));

　　

　　/* 这是GDT, 3个入口, 最后是特殊的GDT指针*/

　　struct gdt_entry gdt[3];

　　struct gdt_ptr gp;

　　

　　/* 这是 start.asm的一个方法. 我们用这个方法适当的重载

　　* 新的段寄存器 */

　　extern void gdt_flush();

　　 用 'gdt.c'管理GDT

　　你会注意到我们对一个并不存在的函数gdt_flush()加了一条申明. gdt_flush()函数使用一个特殊的指针来告诉CPU新的GDT的位置，正如在上面你所看到的。我们需要重新加载新的段寄存器，并且最后跳转到新的代码段。研究下面代码，然后把它添加到start.asm中stublet后的那个无穷循环后。

　　这会建立一个新的段寄存器. 我们需要做

　　一些特别的命令来设置CS. 我们要做的就称为

　　far jump. 一个跳转像偏移量一样包括一个段.

　　这里用'extern void gdt_flush();'来申明

　　global _gdt_flush ;允许C程序连接

　　extern _gp ;表明'_gp'在另一个文件里

　　_gdt_flush:

　　lgdt [_gp] ;用这个特殊的指针'_gp'载如GDT

　　mov ax, 0x10 ;0x10 is the offset in the GDT to our data segment

　　mov ds, ax

　　mov es, ax

　　mov fs, ax

　　mov gs, ax

　　mov ss, ax

　　jmp 0x08:flush2 ;0x08 is the offset to our code segment: Far jump!

　　flush2:

　　ret ;回到C程序!

　　 把 这些内容添加到start.asm中

　　仅仅在内存中为GDT保留空间是不够的。我们需要向GDT入口里写入值，设置“gp”GDT指针，然后调用函数gdt_flush()来更新。下面要介绍的是一个特殊的函数gdt_set_entry()，它使用简单好用的参数来进行所有移位(shift)，以将合适的值填充进GDT入口。你必须在system.h中添加这两个函数的原型(我们至少需要gdt_install)，以便我们能在main.c中使用它们。 请仔细分析下面这些代码，它们是gdt.c的后半部分。

　　/* 在全局描述表(GDT)中建立一个描述符*/

　　void gdt_set_gate(int num, unsigned long base, unsigned long limit, unsigned char access, unsigned char gran)

　　{

　　/* 设定描述符的基地址*/

　　gdt[num].base_low = (base &0xFFFF);

　　gdt[num].base_middle = (base >>16) &0xFF;

　　gdt[num].base_high = (base >>24) &0xFF;

　　

　　/* 设定描述符的界限 */

　　gdt[num].limit_low = (limit &0xFFFF);

　　gdt[num].granularity = ((limit >>16) &0x0F);

　　

　　/* 最后，设定粒度和访问标识*/

　　gdt[num].granularity |= (gran &0xF0);

　　gdt[num].access = access;

　　}

　　

　　/* 这里需要被主函数调用。这里要建立特殊的GDT

　　* 指针, 在GDT里建立最开始的3个入口, 然后

　　* 为了告诉处理器新的GDT在哪并且更新新的段寄

　　* 存器，我们需要在汇编文件里调用gdt_flush()*/

　　void gdt_install()

　　{

　　/* 设立GDT指针和范围*/

　　gp.limit = (sizeof(struct gdt_entry) * 3) - 1;

　　gp.base = &gdt;

　　

　　/* NULL描述符 */

　　gdt_set_gate(0, 0, 0, 0, 0);

　　

　　/* 第二个入口就是我们的代码段(Code Segment)。基地址

　　* 是0, 大小是4GBytes, 粒度为4KByte，

　　* 使用32-bit操作码，是一个代码段描述符。

　　* 请检查本章前面提到的那个表格，以确保每个

　　* 变量的意思正确。*/

　　gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFFFFF, 0x9A, 0xCF);

　　

　　/*第三个入口 是我们的数据段(Data Segment)。它完全和 代码段(Code Segment)

　　* 相同, 但是这个入口的访问标识说明这是一个数据段 */

　　gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFFFFF, 0x92, 0xCF);

　　

　　/* 把旧的GDT删除，安装新的更新! */

　　gdt_flush();

　　}

　　把这些添加到gdt.c。它从事的是一些和GDT相关的肮脏工作！不要忘记在system.h中设置函数原型！

　　既然GDT加载器基本构架已准备就绪并且我们已经把它编译连接进了内核，我们需要调用gdt_install()以让它工作。打开main.c，然后再main()函数的最开头添加“gdt_install();”。正如你在本章中所学到的，GDT需要在最开始就被初始化。它是十分重要的。你现在可以编译连接并将内核弄到软盘里来测试了。你不会在屏幕上看到任何变化，因为这是一个内在的变化。接下来，开始学下一章 中断描述符表(IDT)吧！



本文转自

http://rammaker.cosoft.org.cn/store/bkerndev_zh_CN/Docs/gdt.htm