操作系统---IO权限管理和敏感指令

简化版

使用IOPL设置一个特权级的用户程序对所有端口的访问权限，使用I/O位图对一个特权级的用户程序设置个性化的端口访问权限（能访问部分端口、不能访问另外的端口）。

用户程序的CPL<IOPL，用户程序能访问所有端口。否则，从I/O位图中查找用户程序对端口的访问权限。

IOPL存储在eflags中，只能在0特权级的下通过popf、iretd修改。

I/O位图存储在TSS中。

I/O操作也可以看作一种特权资源，也有“访问门槛”。代码段和数据段的访问“门槛”是DPL，存储在段描述符中。

I/O操作的访问门槛存储在eflags的IOPL位。但是否具有I/O操作的权限，还受I/O位图影响。

敏感指令是指这些指令：in、ins、out、outs、pof、iretd。

IOPL

规则

数值上，CPL <= IOPL，权限上，当前代码段的特权级高于或等于IOPL中存储的特权等级，当前代码段才能执行I/O操作。

CPL = 0，用户程序才能执行敏感指令。

eflags

eflags是flags的32位扩展寄存器，保护许多标志位，例如cf、zf等。IOPL也存储在eflags中，占用2个bit，正好能表示四个特权级：00、01、10、11。

更新

没有能直接更新eflags的指令，只能间接修改eflags从而修改IOPL。方法是使用两个指令：popf和iretd。

只有特权级是0的用户程序才能成功修改eflags中的IOPL。特权不是0的用户程序也能执行popf和iretd来修改IOPL，只不过修改无效，也就是说，能执行、无效果、不报错。

popf

popf的示意代码如下：

pushf		; 把eflags中的值入栈
mov			[esp],  要更新到eflags中的值
popf		; 把栈中的值存储到eflags

popf除了能修改IOPL，还能修改IF。这不难理解。因为popf是把栈中的整个符合eflags结构的数据更新到eflags中，只需把那个结构的IF位修改为目标值就能修改eflags中的IF位。

popf用来修改IF位的时候，和sti、cli一样是敏感指令，需要满足特权级检查规则：CPL <= IOPL。

popf用来修改IOPL位的时候，需要满足特权级检查规则：CPL = 0。

同一个指令，修改的内容不同，需满足的特权级检查规则不同，这种设计，不好。若我来设计，我会设计成两个指令，每个指令完成各自的功能。

iretd

中断发生时，eflags会入栈中断例程的堆栈。修改这个堆栈中的eflags的值，然后再使用iretd就能把栈中的新eflags值更新到eflags中。

IO位图

IOPL对一个特权级的所有用户程序的I/O权限做“一刀切”的限制，要么这个特权级的所有用户程序拥有所有端口的I/O权限，要么拥有0个端口的I/O权限。IO位图允许对每个用户程序在I/O端口限制上做个性化配置。

如果用户进程的CPL <= IOPL，那么，IO位图的值是多少不影响用户进程的I/O权限。如果用户进程的CPL > IOPL，那么，IO位图的值决定了用户进程能读写哪些I/O端口。

位图

位图，又叫bitmap。一个bit能表示两种值，0或1。1kb的空间拥有1024个bit，1Mb的空间拥有1024*1024个bit。

假如我们的硬件一共有65536个I/O端口，只需要8Kb的空间就能标识出这么多端口的权限状态。给8kb空间中的65536个bit依次编号，若第0号I/O端口在能被当前用户进程读写，将此bit设置为1，否则设置为0；剩余的第1到第65535个bit依次按对应的I/O端口依次设置值。

TSS的尺寸

如果用户程序存在I/O位图，它将出现在用户程序的TSS的顶端。正因为如此，TSS的尺寸是不固定的。如果不包含I/O位图，TSS的尺寸是104字节。如果包含I/O位图，TSS的尺寸是“I/O位图地址 + 8192字节 + 1字节”。

包含/IO位图，TSS的尺寸为什么不是“104字节 + 8192字节 + 1字节”？

因为I/O位图有可能不是紧挨着保存"I/O位图地址"的那个 字节，二者之间可能有空白空间。I/O位图地址是I/O位图在TSS中的偏移量，注意，I/O位图在TSS中，它与TSS中的其他元素都在TSS中。也就是说，从TSS的初始位置开始到I/O位图地址，也许包含部分没有存储数据的空间，都是TSS的一部分。TSS的空间被I/O位图地址分割为两个部分，前一部分的大小是I/O位图地址，后一部分是8192个字节（65536个端口需要65536个bit）+1字节（位图的结束标志必须是0xff）。

说得简单点，就是，I/O位图和TSS中的其他元素可能不是紧紧挨着。

0xff

位图为什么要用0xff作为结束标志？我没有弄明白。

代码

不知道TSS中的保留位是什么，更不知道怎么在代码中表示保留位。这里的代码只保证正确表示I/O位图。

怎么写代码？

1. 表示I/O位图地址、I/O位图自身。
2. I/O位图自身
   1. 全部bit的数量并不一定需要是65536个。
   2. 只需用0xff结尾就行。

[SECTION .tss3]
LABEL_TSS3:
			;TSS中的其他元素
			; 最纠结的语句。$ - LABEL_TSS3是当前行在TSS中的偏移量。
			; 本语句占用2个字节，2个字节之后是I/O位图。
			dw		$ - LABEL_TSS3 + 2
times		 12		 db 	0ffh					; 12个字节，96个bit，都设置为1，表示当前用户程序有端口0到端口95的读写权限。
			; 端口96到102只有端口97对当前用户程序开放了读写权限。从右到左编号，所以第2个0表示97号端口。
			db		1111101b	
      ; I/O位图的结束标志
      db		0xff


TSS3_LEN			equ				$$ - LABEL_TSS3