• 15 保护模式中的特权级(上)


    参考

    https://www.cnblogs.com/wanmeishenghuo/tag/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/

    https://blog.51cto.com/13475106/category6.html

    保护模式小结:

      -使用选择子访问段描述符表时,索引值的合法性检测,这个检测是处理器做的

        当索引值越界时,引发异常

        判断规则:索引值*8 + 7 <= 段描述表界限值

    段描述表界限值就是段描述表中的地址最大值

      

      -内存段类型合法性检测,使用选择子给相应的段寄存器赋值的时候会进行这个合法性检测

        具备可执行属性的段(代码段)才能加载到CS寄存器

        具备可写属性的段(数据段)才能加载到SS寄存器,加载到SS寄存器的段是栈段

        具备可读属性的段才能加载到DS,ES,FS,GS寄存器

     这里列出来的都是最低的条件

      -代码段和数据段的保护

        处理器每访问一个地址都要确认该地址不超过界限值

        判断规则:

          代码段:IP + 指令长度 <= 代码段界限

          数据段:访问起始地址 + 访问数据长度 <= 数据段界限

        段界限是相对于段基址而言的,而不是绝对物理地址

     注意:

      保护模式中代码中定义的界限值通常为:

        最大偏移地址值(相对于段基址)。

    实验分析:

    正常程序如下:

    %include "inc.asm"
    
    org 0x9000
    
    jmp CODE16_SEGMENT
    
    [section .gdt]
    ; GDT definition
    ;                                 段基址,       段界限,       段属性
    GDT_ENTRY       :     Descriptor    0,            0,           0
    CODE32_DESC     :     Descriptor    0,    Code32SegLen  - 1,   DA_C + DA_32
    VIDEO_DESC      :     Descriptor 0xB8000,       0x07FFF,       DA_DRWA + DA_32
    DATA32_DESC     :     Descriptor    0,    Data32SegLen  - 1,   DA_DR + DA_32
    STACK32_DESC    :     Descriptor    0,      TopOfStack32,      DA_DRW + DA_32
    ; GDT end
    
    GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY
    
    GdtPtr:
              dw   GdtLen - 1
              dd   0
    
    
    ; GDT Selector
    
    Code32Selector    equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    VideoSelector     equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    Stack32Selector   equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    
    ; end of [section .gdt]
    
    TopOfStack16    equ  0x7c00
    
    [section .dat]
    [bits 32]
    DATA32_SEGMENT:
        DTOS                 db    "D.T.OS!", 0
        DTOS_OFFSET          equ   DTOS - $$
        HELLO_WORLD          db    "Hello World!", 0
        HELLO_WORLD_OFFSET   equ  HELLO_WORLD - $$
    
    Data32SegLen  equ $ - DATA32_SEGMENT
    
    [section .s16]
    [bits 16]
    CODE16_SEGMENT:
        mov ax, cs
        mov ds, ax
        mov es, ax
        mov ss, ax
        mov sp, TopOfStack16
    
        ; initialize GDT for 32 bits code segment
        mov esi, CODE32_SEGMENT
        mov edi, CODE32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        mov esi, DATA32_SEGMENT
        mov edi, DATA32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        mov esi, DATA32_SEGMENT
        mov edi, STACK32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        ; initialize GDT pointer struct
        mov eax, 0
        mov ax, ds
        shl eax, 4
        add eax, GDT_ENTRY
        mov dword [GdtPtr + 2], eax
    
        ; 1. load GDT
        lgdt [GdtPtr]
    
        ; 2. close interrupt
        cli
    
        ; 3. open A20
        in al, 0x92
        or al, 00000010b
        out 0x92, al
    
        ; 4. enter protect mode
        mov eax, cr0
        or eax, 0x01
        mov cr0, eax
    
        ; 5. jump to 32 bits code
        jmp dword Code32Selector : 0
    
    
    ; esi    --> code segment label
    ; edi    --> descriptor label
    InitDescItem:
        push eax
    
        mov eax, 0
        mov ax, cs
        shl eax, 4
        add eax, esi
        mov word [edi + 2], ax
        shr eax, 16
        mov byte [edi + 4], al
        mov byte [edi + 7], ah
    
        pop eax
    
        ret
    
    
    [section .s32]
    [bits 32]
    CODE32_SEGMENT:
        mov ax, VideoSelector
        mov gs, ax
    
        mov ax, Stack32Selector
        mov ss, ax
    
        mov eax, TopOfStack32
        mov esp, eax
    
        mov ax, Data32Selector
        mov ds, ax
    
        mov ebp, DTOS_OFFSET
        mov bx, 0x0C
        mov dh, 12
        mov dl, 33
    
        call PrintString
    
        mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
        mov bx, 0x0C
        mov dh, 13
        mov dl, 30
    
        call PrintString
    
        jmp $
    
    ; ds:ebp   --> string address
    ; bx       --> attribute
    ; dx       --> dh : row, dl : col
    PrintString:
        push ebp
        push eax
        push edi
        push cx
        push dx
    
    print:
        mov cl, [ds:ebp]
        cmp cl, 0
        je end
        mov eax, 80
        mul dh
        add al, dl
        shl eax, 1
        mov edi, eax
        mov ah, bl
        mov al, cl
        mov [gs:edi], ax
        inc ebp
        inc dl
        jmp print
    
    end:
        pop dx
        pop cx
        pop edi
        pop eax
        pop ebp
    
        ret
    
    Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT
    
    [section .gs]
    [bits 32]
    STACK32_SEGMENT:
        times 1024 * 4 db 0
    
    Stack32SegLen    equ $ - STACK32_SEGMENT
    TopOfStack32    equ Stack32SegLen - 1
    

    运行结果如下:

    修改程序如下:

    %include "inc.asm"
    
    org 0x9000
    
    jmp CODE16_SEGMENT
    
    [section .gdt]
    ; GDT definition
    ;                                 段基址,       段界限,       段属性
    GDT_ENTRY       :     Descriptor    0,            0,           0
    CODE32_DESC     :     Descriptor    0,    Code32SegLen  - 1,   DA_C + DA_32
    VIDEO_DESC      :     Descriptor 0xB8000,       0x07FFF,       DA_DRWA + DA_32
    DATA32_DESC     :     Descriptor    0,    Data32SegLen  - 1,   DA_DR + DA_32
    STACK32_DESC    :     Descriptor    0,      TopOfStack32,      DA_DRW + DA_32
    ; GDT end
    
    GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY
    
    GdtPtr:
              dw   GdtLen - 1
              dd   0
    
    
    ; GDT Selector
    
    Code32Selector    equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    VideoSelector     equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    Data32Selector    equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    Stack32Selector   equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    ExceptionSelector   equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0
    
    ; end of [section .gdt]
    
    TopOfStack16    equ  0x7c00
    
    [section .dat]
    [bits 32]
    DATA32_SEGMENT:
        DTOS                 db    "D.T.OS!", 0
        DTOS_OFFSET          equ   DTOS - $$
        HELLO_WORLD          db    "Hello World!", 0
        HELLO_WORLD_OFFSET   equ  HELLO_WORLD - $$
    
    Data32SegLen  equ $ - DATA32_SEGMENT
    
    [section .s16]
    [bits 16]
    CODE16_SEGMENT:
        mov ax, cs
        mov ds, ax
        mov es, ax
        mov ss, ax
        mov sp, TopOfStack16
    
        ; initialize GDT for 32 bits code segment
        mov esi, CODE32_SEGMENT
        mov edi, CODE32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        mov esi, DATA32_SEGMENT
        mov edi, DATA32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        mov esi, DATA32_SEGMENT
        mov edi, STACK32_DESC
    
        call InitDescItem
    
        ; initialize GDT pointer struct
        mov eax, 0
        mov ax, ds
        shl eax, 4
        add eax, GDT_ENTRY
        mov dword [GdtPtr + 2], eax
    
        ; 1. load GDT
        lgdt [GdtPtr]
    
        ; 2. close interrupt
        cli
    
        ; 3. open A20
        in al, 0x92
        or al, 00000010b
        out 0x92, al
    
        ; 4. enter protect mode
        mov eax, cr0
        or eax, 0x01
        mov cr0, eax
    
        ; 5. jump to 32 bits code
        jmp dword ExceptionSelector : 0
    
    
    ; esi    --> code segment label
    ; edi    --> descriptor label
    InitDescItem:
        push eax
    
        mov eax, 0
        mov ax, cs
        shl eax, 4
        add eax, esi
        mov word [edi + 2], ax
        shr eax, 16
        mov byte [edi + 4], al
        mov byte [edi + 7], ah
    
        pop eax
    
        ret
    
    
    [section .s32]
    [bits 32]
    CODE32_SEGMENT:
        mov ax, VideoSelector
        mov gs, ax
    
        mov ax, Stack32Selector
        mov ss, ax
    
        mov eax, TopOfStack32
        mov esp, eax
    
        mov ax, Data32Selector
        mov ds, ax
    
        mov ebp, DTOS_OFFSET
        mov bx, 0x0C
        mov dh, 12
        mov dl, 33
    
        call PrintString
    
        mov ebp, HELLO_WORLD_OFFSET
        mov bx, 0x0C
        mov dh, 13
        mov dl, 30
    
        call PrintString
    
        jmp $
    
    ; ds:ebp   --> string address
    ; bx       --> attribute
    ; dx       --> dh : row, dl : col
    PrintString:
        push ebp
        push eax
        push edi
        push cx
        push dx
    
    print:
        mov cl, [ds:ebp]
        cmp cl, 0
        je end
        mov eax, 80
        mul dh
        add al, dl
        shl eax, 1
        mov edi, eax
        mov ah, bl
        mov al, cl
        mov [gs:edi], ax
        inc ebp
        inc dl
        jmp print
    
    end:
        pop dx
        pop cx
        pop edi
        pop eax
        pop ebp
    
        ret
    
    Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT
    
    [section .gs]
    [bits 32]
    STACK32_SEGMENT:
        times 1024 * 4 db 0
    
    Stack32SegLen    equ $ - STACK32_SEGMENT
    TopOfStack32    equ Stack32SegLen - 1
    

    我们在第30行新添加了一个段选择子,选择子号是5,而在第8-14行的段描述符表中没有为5的描述符。第95行跳转时我们使用新添加的段选择子,启动bochs,实验结果如下:

     可以看出CPU复位了,因为选择子对用的描述符越界了。

     下面进行属性的实验:

    在正常的程序基础上进行修改:

    1、修改代码段属性

    将第11行的代码段的可执行属性改成可读属性,程序运行崩溃,运行结果如下:

    2、修改栈段属性,将可写属性去掉,只留下可读属性,程序崩溃,如下:

    可以看到程序在执行第123行的mov ss,ax是崩溃的,因为这时候栈段的属性没有可写了,所以会出错。

    3、修改数据段属性,将可读写属性改为可执行属性

     运行结果如下:

     可以看到在第129行出错,mov ds,ax导致程序崩溃。

    下面做界限值的实验:

    1、代码段界限修改

    将第11行的代码段界限改小一个字节,运行结果如下:

    程序崩溃了,是在执行180行的ret时崩溃的,因为这时候的代码已经超出了界限。

    2、修改数据段界限

    将第13行的数据段界限改小1个字节,运行结果如下:

     这是在执行第158行的打印时崩溃了,当我们打印字符串的最后一个0时,超出了数据段的界限。

    问题:

    保护模式除了利用段界限对内存访问进行保护,是否还提供其他的保护机制?

    保护模式中的特权级:

      - X86架构中的保护模式提供了四个特权级(0,1,2,3)

      - 特权级从高到低分别是0,1,2,3(数字越大特权级越低)

    linux和window只用到0和3级,即内核态和用户态。

    特权级的表现形式:

      CPL(Current Privilege Level)

        当前可执行代码段的特权级,由CS寄存器最低2位定义,CS保存的段选择子

      DPL(Descriptor Privilege Level)

        内存段的特权级,在段描述符表中定义

      RPL(Request Privilege Level)

        选择子的特权级,由选择子最低2位定义

     段描述符中的DPL用于标识内存段的特权级,可执行代码访问内存段时必须满足一定的特权级(CPL),否则,处理器将产生异常

    可执行代码访问数据段的情形:

      应用程序访问内核的数据,会崩溃,因为内核的数据的DPL是0,应用程序的CPL是3。CPL应该小于等于DPL才可以访问。

    CPL和DPL的关系:代码段之间的跳转

      保护模式中每一个代码段都定义了一个DPL

      当处理器从A代码段成功跳转到B代码段执行

        跳转之前:CPL = DPLa

        跳转之后:CPL = DPLb

       

    保护模式中,每一个数据段都定义了一个DPL

    当处理器执行过程中需要访问数据段时:

      CPL <= DPLdata

    CPL和DPL实验:

    首先在inc.asm文件中定义特权级

    1、修改代码段的DPL

    11行将代码段的DPL设置为3,执行结果如下:

     

    程序崩溃了,提示DPL不等于CPL。

    程序进入保护模式后默认的CPL为0,而我们的32位代码段DPL为3。

    第88-91行的程序执行完就进入了保护模式,这时的CPL默认为0,在第94行跳转时,从CPL为0向DPL为3跳转就发生了异常。

    运行结果告诉我们从CPL为0的代码段不能跳转到DPL位3的代码段。

    将DPL改为0,运行结果如下:

     

    程序正常运行了,这时候CPL等于DPL。从CPL为0的代码段可以跳转到DPL位0的代码段。

    2、修改数据段的DPL

     

    程序依然能正常运行,这说明程序在访问数据时,只要CPL小于等于相应数据段的DPL即可。

    RPL实验:

    1、修改代码段选择子的RPL

    运行结果如下:

    提示我们RPL > CPL,可见在代码段跳转时,RPL也参与了合法性判断。

    将代码段RPL改回0即可正常运行。

    2、修改数据段的RPL

    28行将RPL改为3,运行结果:

    再次修改28行的RPL:

    运行结果如下:

    可见访问数据段时RPL并没有参与合法性判断。

     3、栈段的RPL实验

    第14行的栈的DPL改为3,第29行栈的RPL改为3,运行结果如下:

    将上述两个特权级都改为0,如下:

    结果如下:

    都改为0后程序就可以正常运行了。

    可见,栈段和数据段的特权级判断使用的规则并不一样。

     实验结论:

      处理器进入保护模式后CPL = 0(最高特权级)

      处理器不能从高特权级转换到低特权级执行

      选择子RPL大于对应段描述符的DPL时,产生异常

    处理器进入保护模式后默认特权级为0,我们必须将它降下来,这样才能从高特权级跳转到低特权级代码执行。从低到高跳转也需要改变特权级。

    小结:

      保护模式对内存的访问范围有严格定义

      保护模式定义了内存段的特权级(0,1,2,3)

        每个内存段都有固定的特权级(DPL)

        不同代码段之间成功跳转后CPL可能发生改变

        CPL小于或等于数据段DPL才能成功访问数据

     后续需要解决的疑问:

      

      

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