《自己动手写操作系统》源码解析——第三章pmtest5.asm

在pmtest4中，我们已经看到，对于非一致性代码，如何从低特权级转移向高特权级。但是我们该怎样从高特权级别，转移到低特权级别呢？一开始我们在实模式，是ring 0，我们怎样从ring 0到ring3 ，这个通过call和jmp没法做到，我们该通过什么方式实现？本文，主要是为你解答这些疑问，展现实现这种特权级别转移的方法。通过本节，你将学会如何在特权级之间自由切换。

一、预备理论

1.关于堆栈

我们都知道，可以通过call和jmp实现长跳转或者短跳转（段内转移或者段间转移）。但是jmp和call毕竟是有分别的，其中call指令是会影响到堆栈的：对于短调用，call指令执行时，下一条指令的eip入栈，ret指令执行时候=，这个eip就会从堆栈中弹出。

短调用call指令执行前后堆栈的变化如下图所示（注意带有参数的ret指令）：

短调用返回时候的示意图：

长调用的情况与此相似，不同的是call指令执行时，被压栈的还有cs。

2.特权级变换

注意到：如果我们采用call指令进行长跳转，而且特权级别发生了变换，这个时候就发生了堆栈切换，比如从A切换到了B。但是我们的数据保存在A上面，如何从B中返回呢？原来，intel提供了一种机制，能够将A上的一些内容copy到B堆栈中。同时，A堆栈要切换到B堆栈，但是它怎么知道B堆栈在哪里呢答案：原来这个内容保存在任务的TSS结构中，TSS是任务状态段。每个任务都最多有四个堆栈段，但是只有一个esp和ss，TSS就解决了堆栈切换方面的数据保存问题。TSS的相关介绍，可以参考：保护模式及其编程——任务切换http://blog.youkuaiyun.com/trochiluses/article/details/19768579。

示意图如下：

比如，我们目前是ring 3，需要转移到ring 1，那时，堆栈将自动切换到ss1和esp1。（由于只是从外层到内层切换，才从TSS中取得堆栈信息，所以，TSS中没有ring 3相关的堆栈信息。那么从内层向外层切换，如何获得目的地的信息呢？提前压入栈中，来获得返回信息）。

切换过程中有关堆栈的处理，可以参考：保护模式及其编程——保护的详尽意义：通过调用门转移特权级http://blog.youkuaiyun.com/trochiluses/article/details/19573651

二、代码分析

这一部分代码与pmtest4中的代码比较相似，我们仅仅用加粗部分标记改变和增加的代码，没有改变而且不是特别影响逻辑的代码我们直接省略，来进行分析：

; ==========================================

%include "pm.inc"; 常量, 宏, 以及一些说明

org 0100h
jmp LABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]
; GDT
;                                         段基址,         段界限     , 属性
LABEL_GDT: Descriptor      0,                   0, 0 ; 空描述符
LABEL_DESC_CODE_RING3:Descriptor       0, SegCodeRing3Len - 1, DA_C + DA_32 + DA_DPL3; 非一致代码段, 32
LABEL_DESC_STACK: Descriptor       0,          TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位；没有标记的stack，实际上是ring 0
LABEL_DESC_STACK3: Descriptor      0,         TopOfStack3, DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3; Stack, 32 位；ring 3
LABEL_DESC_LDT: Descriptor      0,          LDTLen - 1, DA_LDT ; LDT
LABEL_DESC_TSS: Descriptor      0,          TSSLen - 1, DA_386TSS ; TSS
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor0B8000h,              0ffffh, DA_DRW + DA_DPL3; 显存首地址，为了能在ring 3中读写显存，我们改变了显存段的特权级别

; 门                                            目标选择子,       偏移, DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest,          0,      0, DA_386CGate + DA_DPL3；门描述符的特权级别也是ring 3，不然没法访问
; GDT 结束

GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT长度
GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限
dd 0; GDT基地址

; GDT 选择子
SelectorNormal equLABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT
SelectorCodeRing3equ LABEL_DESC_CODE_RING3- LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorStack3equ LABEL_DESC_STACK3- LABEL_GDT + SA_RPL3
SelectorTSSequ LABEL_DESC_TSS- LABEL_GDT
SelectorCallGateTestequ LABEL_CALL_GATE_TEST- LABEL_GDT + SA_RPL3
; END of [SECTION .gdt]
；========================================================================================================

[SECTION .data1] ; 数据段
SPValueInRealMode dw 0
; 字符串
PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 进入保护模式后显示此字符串
；*******************************
DataLen equ $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]

===============================================================================================
; 全局堆栈段
[SECTION .gs]
LABEL_STACK:
times 512 db 0
TopOfStack equ$ - LABEL_STACK - 1
; END of [SECTION .gs]
================================================================================================

; 堆栈段ring3
[SECTION .s3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_STACK3:
times 512 db 0
TopOfStack3 equ$ - LABEL_STACK3 - 1
; END of [SECTION .s3]
=================================================================================================
; TSS ---------------------------------------------------------------------------------------------
[SECTION .tss]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_TSS:
DD 0; Back
DD TopOfStack; 0 级堆栈
DD SelectorStack; 
DD 0; 1 级堆栈
DD 0; 
; TSS ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
========================================================================================================

[SECTION .s16]
[BITS 16]
LABEL_BEGIN:
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0100h
mov   [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax
mov [SPValueInRealMode], sp

; 初始化 16 位代码段描述符
mov  ax, cs
；********************
mov  byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah

; 初始化 32 位代码段描述符
; 初始化测试调用门的代码段描述符
; 初始化数据段描述符
; 初始化堆栈段描述符
; 初始化堆栈段描述符(ring3)
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_STACK3
mov word [LABEL_DESC_STACK3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah
; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
; 初始化 LDT 中的描述符
; 初始化Ring3描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_RING3
mov word [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah

; 初始化 TSS 描述符
xoreax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_TSS
mov word [LABEL_DESC_TSS + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_TSS + 7], ah

; 为加载 GDTR 作准备
; 加载 GDTR
; 关中断
; 打开地址线A20
; 准备切换到保护模式
; 真正进入保护模式
jmp dword SelectorCode32:0; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

LABEL_REAL_ENTRY: ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里
mov ax, cs
关闭 A20 地址线
; 开中断
; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]
==============================================================================================

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.
[BITS 32]
LABEL_SEG_CODE32:
movax, SelectorData
movds, ax ; 数据段选择子
; 视频段选择子
         ; 堆栈段选择子
movesp, TopOfStack

; 下面显示一个字符串
; 显示完毕
call DispReturn
; Load TSS
movax, SelectorTSS

ltrax ; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈，而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中，所以要设置任务状态段寄存器 TR。

pushSelectorStack3 ；ss3
push TopOfStack3 ；sp3
push SelectorCodeRing3 ；cs3
push 0 ；Eip
retf ; Ring0 -> Ring3，历史性转移！将打印数字 '3'。

注意：这一个关键的retf指令，它弹出两个值，一个给EIP，另一个给ECS；通过这种方式，转移到ring 3；这里要特别关注retf指令，它用于长返回，而且可以用于带有特权级别变换的长返回。上面之所以要push 4个参数，是因为retf要用到这四个参数。之所以要loadTSS，是因为待会还要从ring3回到ring 0.

另外，需要特别注意的是此处的TSS;如果没有TSS，我们只能从高特权级别转向低特权级；没法从低特权级别转向高特权级别。也就是说，如果涉及到堆栈切换，那么必须要用到TSS。我们可以将ltr ax这句注释掉，然后查看结果（见最后一副图）。

; ------------------------------------------------------------------------

SegCode32Len equ$ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

;=======================================================================================================

[SECTION .sdest]; 调用门目标段
[BITS 32]

LABEL_SEG_CODE_DEST:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax; 视频段选择子(目的)
movedi, (80 * 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字
mov al, 'C'
mov [gs:edi], ax
; Load LDT
mov ax, SelectorLDT
lldt ax
jmpSelectorLDTCodeA:0 ; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。
;retf
SegCodeDestLenequ $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]
======================================================================================

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]
ALIGN 32
[BITS 16]
LABEL_SEG_CODE16:
; 跳回实模式:
mov ax, SelectorNormal
；******************************************
LABEL_GO_BACK_TO_REAL:
jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值

Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]
=============================================================================
; LDT
[SECTION .ldt]
ALIGN 32
LABEL_LDT:
;                                         段基址       段界限     ,   属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor      0,     CodeALen - 1,   DA_C + DA_32 ; Code, 32 位

LDTLen equ $ - LABEL_LDT

; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA equLABEL_LDT_DESC_CODEA - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

==================================================================================
; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_A:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax; 视频段选择子(目的)
movedi, (80 * 13 + 0) * 2 ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字
mov al, 'L'
mov [gs:edi], ax
; 准备经由16位代码段跳回实模式
jmp SelectorCode16:0
CodeALen equ $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

=======================================================================================

; CodeRing3
[SECTION .ring3]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_RING3:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax; 视频段选择子(目的)
movedi, (80 * 14 + 0) * 2 ; 屏幕第 14 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch; 0000: 黑底    1100: 红字
mov al, '3'
mov [gs:edi], ax

callSelectorCallGateTest:0 ; 测试调用门（有特权级变换），将打印字母 'C'。

jmp$ ;注意：程序将停在这里

SegCodeRing3Lenequ $ - LABEL_CODE_RING3
; END of [SECTION .ring3]

程序的大致执行过程如下：

保护模式下进入16b的代码段，ring=0，初始化相关段描述符、门描述符、ldt描述符、数据段描述符、堆栈段描述符、ldt中的描述符、ring 3的代码段描述符TSS描述符；加载gdt，通过长jmp，进入保护模式，进入32b的代码段，ring =0：初始化数据段、堆栈段、视频段的选择子寄存器；显示一个字符串；load TSS；利用retf指令，从ring 0转移到ring 3的代码段：在代码段中显示‘3’，然后通过调用门进入ring 0的代码段：打印字母C，然后通过jmp跳转到局部代码段：打印字母‘L’；程序回到ring 3，成为循环。

查看运行结果：我们第一次进入了不同的特权级。

下图:注释TSS的结果，可以看到可以从ring 0进入ring 3；但是无法从ring 3进入ring 0.