GDT临时分段

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本文深入探讨了从实模式切换至保护模式的过程，重点介绍了GDT（全局描述符表）的作用及其构建方法。文章详细解释了如何通过设置GDT描述符，包括代码段、数据段和VGA内存数据段，来实现对内存的高效访问。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

GDT临时分段

GDT临时段说明

现在已经进入了保护模式, 目前的改变

  • 可以访问1M以上的内存了
  • 可以使用32位的指令操作

问题：

由于以前的是实式下段寄存器寻址方式无法使用了，我们必须切换到使用GDT段方式来寻址

首要的任务就是先建立一个临时的GDT段，以便我们接下来的指令操作

目前准备建立3个段，如下：

Base, Limit, Attr

代码段：0x00000000, 0xfffff, 1100_1001_1010B = db 0x0000ffff, 0x00cf9a00

数据段：0x00000000, 0xfffff, 1100_1001_0010B = db 0x0000ffff, 0x00cf9200

vga显卡内存数据段：x000b8000, 0x07fff, 1100_1001_0010B

GDT解析宏

首先创建一个nasm宏，可以进行GDT解析

参数为GDT的Base, Limit, Attr，也就是段基址(32位),段界限(20位),段描述符(12位)，然后生成GDT在内存中的数据

;---------------------------------------------------------
; 描述符
; usage: Gdt_Descriptor Base, Limit, Attr ：  段基址(32位),段界限(20位),段描述符(12位)
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
;---------------------------------------------------------
%macro Gdt_Descriptor  3
dw %2 & 0xFFFF
dw %1 & 0xFFFF
db (%1 >> 16) & 0xFF
db %3 & 0xFF
db ((%3 >> 4 ) & 0xF0 ) | ((%2 >> 16) & 0x0F )
db (%1 >> 24) & 0xFF
%endmacro

GDT 描述符属性定义

;--------------   gdt描述符属性  -------------
DESC_G_4K   equ   1000_0000_0000b   
DESC_D_32   equ   0100_0000_0000b
DESC_L      equ   0000_0000_0000b   ;  64位代码标记，此处标记为0便可。
DESC_AVL    equ   0000_0000_0000b   ;  cpu不用此位，暂置为0  
DESC_P      equ   0000_1000_0000b
DESC_DPL_0  equ         000_0000b
DESC_DPL_1  equ         010_0000b
DESC_DPL_2  equ         100_0000b
DESC_DPL_3  equ         110_0000b
DESC_S_CODE equ           1_0000b
DESC_S_DATA equ           1_0000b
DESC_S_SYS  equ           0_0000b
DESC_TYPE_CODE  equ         1010b   ;x=1可执行代码段,c=0普通,r=1可读,a=0已访问位a清0  
DESC_TYPE_DATA  equ         0010b   ;x=0数据段,e=0向高位扩展,w=1可写,a=0已访问位a清0.

;--------------   选择子属性  ---------------
RPL0    equ   00b
RPL1    equ   01b
RPL2    equ   10b
RPL3    equ   11b
TI_GDT  equ   000b
TI_LDT  equ   100b

    
DESC_CODE equ  DESC_G_4K + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_P + DESC_DPL0 + DESC_S_CODE + DESC_TYPE_CODE 
DESC_DATA equ  DESC_G_4K + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_P + DESC_DPL0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA

定义GDT全局描述符表

;---------------------------------
;定义GDT全局描述符表
;code: 0x0000ffff, 0x00cf9a00   
;data: 0x0000ffff, 0x00cf9200
;vga:
Gdt_Addr:
    dw      8*4-1                       ;指定段上限为4(GDT全局描述符表的大小)
    dd      gdt_table_addr              ;GDT全局描述符表的地址
Gdt_Table_Addr:
                Gdt_Descriptor 0,0,0
Label_Sel_Code: Gdt_Descriptor 0x00000000, 0xfffff, DESC_CODE  ;可以执行的段
Label_Sel_Data: Gdt_Descriptor 0x00000000, 0xfffff, DESC_DATA  ;可以读写的段
Label_Sel_VGA:  Gdt_Descriptor 0x000b8000, 0x07fff, DESC_DATA  ;vga段
    dw      0   

;--------------------------------
;选择子
Selector_Code  equ   Label_Sel_Code - Gdt_Table_Addr
Selector_Data  equ   Label_Sel_Data - Gdt_Table_Addr
Selector_VGA  equ    Label_Sel_VGA - Gdt_Table_Addr

加载gdt

;---------------------------
;加载GDT
lgdt [Gdt_Addr]

代码

创建常量头文件

创建 boot.inc文件。用来配置常量

;---------------------------------------------------------
; 描述符
; usage: Gdt_Descriptor Base, Limit, Attr ：  段基址(32位),段界限(20位),段描述符(12位)
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
;---------------------------------------------------------
%macro Gdt_Descriptor  3
dw %2 & 0xFFFF
dw %1 & 0xFFFF
db (%1 >> 16) & 0xFF
db %3 & 0xFF
db ((%3 >> 4 ) & 0xF0 ) | ((%2 >> 16) & 0x0F )
db (%1 >> 24) & 0xFF
%endmacro



;--------------   gdt描述符属性  -------------
DESC_G_4K   equ   1000_0000_0000b   
DESC_D_32   equ   0100_0000_0000b
DESC_L      equ   0000_0000_0000b   ;  64位代码标记，此处标记为0便可。
DESC_AVL    equ   0000_0000_0000b   ;  cpu不用此位，暂置为0  
DESC_P      equ   0000_1000_0000b
DESC_DPL_0  equ         000_0000b
DESC_DPL_1  equ         010_0000b
DESC_DPL_2  equ         100_0000b
DESC_DPL_3  equ         110_0000b
DESC_S_CODE equ           1_0000b
DESC_S_DATA equ           1_0000b
DESC_S_SYS  equ           0_0000b
DESC_TYPE_CODE  equ         1010b   ;x=1可执行代码段,c=0普通,r=1可读,a=0已访问位a清0  
DESC_TYPE_DATA  equ         0010b   ;x=0数据段,e=0向高位扩展,w=1可写,a=0已访问位a清0.


;--------------   选择子属性  ---------------
RPL0    equ   00b
RPL1    equ   01b
RPL2    equ   10b
RPL3    equ   11b
TI_GDT  equ   000b
TI_LDT  equ   100b

DESC_CODE equ  DESC_G_4K + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_CODE + DESC_TYPE_CODE 
DESC_DATA equ  DESC_G_4K + DESC_D_32 + DESC_L + DESC_AVL + DESC_P + DESC_DPL_0 + DESC_S_DATA + DESC_TYPE_DATA 

;----------- loader const ------------------
LOADER_SECTOR_LBA       equ 0x1     ;第2个逻辑扇区开始
LOADER_SECTOR_COUNT     equ 9       ;读取9个扇区
LOADER_BASE_ADDR        equ 0x9000  ;内存地址0x9200
LOADER1_BASE_ADDR       equ 0x9800  ;内存地址0x9200
;-------------------------------------------

loader.asm文件

;ratsos
;TAB=4

%include "boot/boot.inc"
section loader vstart=LOADER_BASE_ADDR ;指明程序的偏移的基地址

[bits 16]

    jmp Entry;

;---------------------------------
;定义GDT全局描述符表
;code: 0x0000ffff, 0x00cf9a00   
;data: 0x0000ffff, 0x00cf9200
;vga:
Gdt_Addr:
    dw      8*4-1                       ;指定段上限为4(GDT全局描述符表的大小)
    dd      gdt_table_addr              ;GDT全局描述符表的地址
Gdt_Table_Addr:
                Gdt_Descriptor 0,0,0
Label_Sel_Code: Gdt_Descriptor 0x00000000, 0xfffff, DESC_CODE  ;可以执行的段
Label_Sel_Data: Gdt_Descriptor 0x00000000, 0xfffff, DESC_DATA  ;可以读写的段
Label_Sel_VGA:  Gdt_Descriptor 0x000b8000, 0x07fff, DESC_DATA  ;vga段
                dw      0   

;--------------------------------
;选择子
Selector_Code  equ   Label_Sel_Code - Gdt_Table_Addr
Selector_Data  equ   Label_Sel_Data - Gdt_Table_Addr
Selector_VGA  equ    Label_Sel_VGA - Gdt_Table_Addr



;程序核心内容
Entry:
    
    
    ;------------------
    ;禁止CPU级别的中断，进入保护模式时没有建立中断表
    cli 

    ;------------------
    ;打开A20
    in      al,0x92
    or      al,0000_0010B       ;设置第1位为1
    out     0x92,al
    
    ;------------------
    ;加载GDT
    lgdt [Gdt_Addr]

    ;------------------
    ;进入保护模式
    mov     eax,cr0
    or      eax,0x1      ;设置第0位为1
    mov     cr0,eax

    jmp  $

测试

使用bochs执行

打好断点后，执行并查看gtd描述符数据是否正确。

info gdt

1573351-20190104235309313-1807897446.png

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GDT
06-19
<think>我们正在讨论GDT（全局描述符表）在x86架构中的作用和实现。根据引用，GDT是保护模式下的核心数据结构，用于存储段描述符。每个段描述符8字节，包含段的基地址、界限和访问权限等信息。在32位和64位模式下，GDT的作用有所不同。在32位保护模式下，GDT是必须的，因为内存管理通过分段机制实现。每个段描述符定义了内存段的属性，包括基地址（32位）、界限（20位，通过粒度扩展为4KB或1字节单位）、类型（代码/数据/系统段）、特权级等。处理器通过GDTR寄存器（48位，包含基地址和界限）定位GDT。段选择子（16位）作为索引，从GDT中取出段描述符，从而确定内存访问的合法性和物理地址转换。在64位长模式（IA-32e）下，分段机制被弱化。大多数段基址被强制为0，界限被忽略，形成平坦内存模型。但GDT仍然存在，主要用于定义关键系统段（如内核和用户代码/数据段）和TSS（任务状态段）。此外，GDTR在64位下扩展为80位（64位基址+16位界限），但GDT的每个描述符仍为8字节（传统模式）或扩展为16字节（系统描述符，如TSS或LDT）。实现步骤：1.定义GDT内容：至少包含空描述符（全0）、内核代码段、内核数据段、用户代码段、用户数据段，可能包含TSS。2.加载GDTR：使用LGDT指令，操作数指向一个6字节（32位）或10字节（64位）的内存区域，包含GDT界限（16位）和基地址（32位或64位）。3.进入保护模式/长模式：设置CR0的PE位（保护模式）或CR4的PAE位+EFER的LME位（长模式）。示例（32位汇编）：```assembly;定义GDTgdt_start:dd0,0;空描述符gdt_code:dw0FFFFh;段界限0-15dw0;基地址0-15db0;基地址16-23db10011010b;访问字节：P=1,DPL=00,S=1,TYPE=1010（代码段，可读，非依从）db11001111b;标志：G=1（4KB粒度），D/B=1（32位），AVL=0，界限16-19db0;基地址24-31gdt_data:;类似，TYPE=0010（数据段，可写）gdt_end:;GDTR结构gdt_descriptor:dwgdt_end-gdt_start-1;界限ddgdt_start;基地址;加载GDTlgdt[gdt_descriptor];进入保护模式moveax,cr0oreax,1movcr0,eaxjmp08h:flush;远跳转更新CS选择子（索引1*8，即08h）flush:```在64位模式下，GDT的结构类似，但通常不需要设置段基址（因为强制为0）。系统描述符（如TSS）需要16字节，但基本代码/数据段仍为8字节。作用总结：-32位：内存分段，隔离和保护不同特权级的代码和数据。-64位：保留分段机制的必要部分（如特权级切换），但主要依赖分页管理内存。相关问题：1.如何为64位操作系统设置GDT？2.GDT中的TSS描述符有什么作用？3.在保护模式下如何切换任务？</think>### GDT（全局描述符表）在x86架构中的作用与实现 #### **一、GDT核心作用** 1. **内存分段管理** - 在x86保护模式下，GDT是**唯一全局数据结构**（引用[1]），用于定义内存段的属性： - 段基地址（Base Address）：32位物理内存起始地址 - 段界限（Limit）：20位段长度（最大$2^{20} \times 4\text{KB} = 4\text{GB}$） - 访问权限（Access）：特权级、可读/写/执行等（引用[2]） - **物理地址计算**：`物理地址 = 段基址 + 偏移量` 2. **特权级隔离** - 通过描述符中的**DPL字段**（2位）实现0-3级特权隔离： - 0级：内核态 - 3级：用户态 - 防止用户程序直接访问内核内存（引用[5]） 3. **模式切换基础** - 实模式→保护模式：**必须定义GDT**（引用[3]） - 控制寄存器`CR0`的`PE位=1`时激活保护模式（引用[2]） #### **二、GDT数据结构详解** ```c // 段描述符结构（8字节） struct SegmentDescriptor { uint16_t limit_low; // 段界限0-15位 uint16_t base_low; // 基地址0-15位 uint8_t base_mid; // 基地址16-23位 uint8_t access; // 访问控制字节 uint8_t granularity; // 粒度标志 uint8_t base_high; // 基地址24-31位 }; ``` **关键字段说明**（引用[2][4]）： | 字段 | 位域 | 作用 | |-------------|--------|----------------------------------------------------------------------| | **G** | 位23 | 粒度：0=字节粒度，1=4KB粒度（段界限需$\times 4096$） | | **D/B** | 位22 | 默认操作数大小：0=16位，1=32位 | | **L** | 位21 | 64位代码标志（仅64位有效） | | **AVL** | 位20 | 保留给操作系统使用 | | **P** | 位15 | 段存在标志（1=有效） | | **DPL** | 位13-14| 特权级（0-3） | | **S** | 位12 | 描述符类型：0=系统段，1=代码/数据段 | | **TYPE** | 位8-11 | 段类型：代码段（可执行）、数据段（可写）、TSS等 | #### **三、32位 vs 64位实现差异** | 特性 | 32位保护模式 | 64位长模式（IA-32e） | |--------------------|-----------------------------------|--------------------------------------| | **GDT必要性** | 必须存在 | 仍需要但作用弱化 | | **段基址处理** | 实际使用基地址 | 强制基地址=0（平坦内存模型） | | **段界限** | 严格检查 | 大部分忽略（除FS/GS系统段） | | **GDTR寄存器** | 48位（32位基址+16位界限） | 80位（64位基址+16位界限） | | **描述符扩展** | 固定8字节 | 系统描述符（如TSS）可扩展至16字节 | | **主要用途** | 内存隔离/特权保护 | CS/SS段切换特权级，FS/GS存储系统数据 | #### **四、GDT操作流程（32位示例）** 1. **定义GDT结构** ```assembly gdt_start: dd 0, 0 ; 空描述符（强制要求） gdt_code: ; 内核代码段 dw 0xFFFF ; 段界限0-15 dw 0x0000 ; 基地址0-15 db 0x00 ; 基地址16-23 db 0x9A ; P=1, DPL=00, S=1, TYPE=1010(可执行/可读) db 0xCF ; G=1, D/B=1, AVL=0, 界限16-19=0xF db 0x00 ; 基地址24-31 gdt_data: ; 内核数据段 dw 0xFFFF dw 0x0000 db 0x00 db 0x92 ; TYPE=0010(可写) db 0xCF db 0x00 gdt_end: ``` 2. **加载GDTR寄存器** ```assembly gdt_descriptor: dw gdt_end - gdt_start - 1 ; 界限（16位） dd gdt_start ; 基地址（32位） lgdt [gdt_descriptor] ; 加载GDTR ``` 3. **激活保护模式** ```assembly mov eax, cr0 or eax, 0x1 ; 设置PE位 mov cr0, eax jmp 0x08:flush ; 远跳转更新CS选择子（索引=1） flush: mov ax, 0x10 ; 加载数据段选择子（索引=2） mov ds, ax ``` #### **五、64位模式下的特殊处理** - **段寄存器行为**： - `CS`：隐含当前特权级（CPL） - `SS`：必须与`CS`同级 - `FS/GS`：可用于存储**线性地址基址**（如Linux内核用`GS`存储per-CPU数据） - **TSS描述符**： ```assembly tss_descriptor: dw tss_limit & 0xFFFF ; 界限0-15 dw tss_base & 0xFFFF ; 基址0-15 db (tss_base >> 16) & 0xFF ; 基址16-23 db 0x89 ; P=1, DPL=0, Type=1001(64位TSS) db 0x00 ; 标志 db (tss_base >> 24) & 0xFF ; 基址24-31 dd (tss_base >> 32) & 0xFFFFFFFF ; 64位扩展 dd 0x00000000 ; 保留 ``` > **关键点**：GDT是x86保护模式基石，64位下虽弱化分段但仍需维护关键描述符以实现特权级隔离和系统数据结构定位[^1][^4]。
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