《自已動手寫作業系統》學習扎記之保護模式(x86)
學完這一章後,我嘗試來好好總結一下,發現在很難做到,因為相關的細節牽扯比較多，一不小心就必須要到具體的實現細節，而要了解這些細節intel 開發手冊已有清晰的描述．下面以問題的方式要來記錄一下自已的一些體會．
1. 為什麼需要保護模式？
這跟作業系統歷史的發展密切相關,在早期,作業系統是單程序,你輸入乙個命令就執行乙個命令,像dos.完了等待使用者續繼輸入.這挺浪費計算機資源,人們希望同時執行多個任務,即同時執行多個程序.多程序會引起一系列的問題,這裡說一下乙個基本的問題,怎麼樣保證乙個程序不非法訪問其它程序的記憶體.學過8086cpu的人知道,這種cpu是相當陽春白雪,通過段:偏移的方式就可以訪問物理記憶體,如果我們在這種cpu上實現多程序,(我們假設速度足夠快,記憶體足夠大),作業系統能合理分配記憶體,但無法在軟體層面保證乙個程序非法訪問其它的記憶體,也就是說需要硬體的支援.因此要穩定可靠的實現多程序,必須對原有的硬體體系進行改造增強, 現在我們給這個增強的硬體體系叫做保護模式.
2.保護模式增加有那些基本的硬體設施?
這裡以ia-32為例,
a. 4個控制暫存器(32位)
cr0 cpu工作方式工作方式控制,包含實模式/保護模式,啟用與禁用分頁機制等.
cr1 保留
cr2和cr3用於分頁管理管理機制
b. 系統位址暫存器
gdtr(48位)全域性描述符表暫存器, 包含全域性描述符表段的基位址和段界限.
ldtr(16位) 區域性描述符暫存器 ldtr實際是乙個特別的選擇子,用來定位每個任務的區域性描述符表
idtr(48位) 中斷描述符暫存器 包括idt的基位址32位和段界限16位
tr (16位) 任務狀態段暫存器 包含當前任務的任務狀態段的選擇子
3.保護模式的一些基本術語的解釋?
a.描述符
描述符是乙個資料結構,用來說明一段記憶體的情況,包括段的基位址,段界限,段屬性(段型別,段許可權等), 或 用來說明一種呼叫門，包括目標**段的選擇子，入口位址偏移和其它屬性。
b.描述符表
實際是乙個描述符陣列,分為全域性描述符表,區域性描述符表,中斷描述表
全域性描述符表 表示系統最頂層的記憶體分配描述符表集合,通常包含核心所使用**段,資料段,堆疊段,以及一些特別的段.
區域性描述符表 每個任務私有的段描述表
中斷描述符表 表示中斷和異常處理的各種門的描述符表
c.呼叫門
正如字面的意思,作用相當於乙個"門",其實就是乙個目標**段的入口.包括目標**的選擇子和偏移位址和許可權級別等其它屬性.通常應用程式需要呼叫作業系統提供的服務,而應用程式執行在較低的特權級別,無法直接訪問作業系統的服務,這就要通過呼叫門實現系統呼叫,這其中涉及到許可權的檢查,堆疊的切換等．
d.選擇子
選擇子有點類似於乙個index,所不同的是還包含乙個位指示是全域性描述表還是區域性描述表,還有2個位元組表示rpl(request privilege level),在保護模式下是載入到段暫存器cs,ss,ds,es,fs,gs.選擇子加描述符的設計個人感覺是又增加了乙個層次，用描述符來專門記錄記憶體的定址資訊，不再像8086那樣定址受暫存器位的影響，如果以後調整記憶體的定址方式,基本上不會對其它硬體造成影響.
e.中斷和異常
中斷和異常是硬體級實現的事件通知機制。中斷概念跟實模式是一樣的，只是實現的方式發生了變化。異常是cpu檢測到指令的執行先決條件不滿足（如除法指令不能除以0)或某些系統規則被違返或不滿足(缺頁等)發出的事件通知，cpu不是god,異外情況發生了只能向外發出通知請求處理。異常分為faults,traps和aborts. faults為可稱之為「良性」的異常，意為可以correct並重新恢復程式執行。traps 是一種特別的異常，用於設定斷點或除錯。aborts是真的發生了錯誤，會中斷程式的執行。中斷和異常雖然概念不一樣，但具體的實現的方式是一樣的。
f.分段和分頁
想像一下一本書，如果你把這本書每一頁都撕下來排成一列，從第一頁到最後一頁整體就叫'段'，每一頁就叫'頁',分段就是先確定一塊'大'塊的記憶體,確定的它的基位址和界限,然後再切分成更小的塊相等的記憶體,這就是分頁.切分頁的方法通過二級目錄，這裡以4k每頁為例，首先把線性位址的高10位作為index在一級目錄中得到二級目錄的首位址，再把線性位址的中間10位作為index在二級目錄中得到實體地址高20位，最後和線性位址的低12位相加得到真正的實體地址。
另外,分頁的另乙個好處可以實現虛擬記憶體．
4.保護模式是如何工作的?
一旦把cr0的pe位(0)設為1,cpu就進入了保護模式．保護模式最大的改變首先是記憶體定址。段暫存器退化成了乙個選擇子，eip,esp還是偏移位址，
定址變成了首選通過選擇子，在全域性或區域性描述符表中找到相應的描述符，描述符中有段的基位址，基位址加偏移位址得到線性位址，如果沒有開啟分頁，
線性位址就是實體地址.如果開啟了分頁，就發生上面描述的情形。另外保護模式在這其中會進行大量的安全檢查，下面描述。
5.保護模式的有那些"保護"?
段級保護
訪問是否超出段的範圍，段型別是否正確，如你不能把資料段載入到**段，段的許可權級別檢查等。
頁級保護
包括許可權和讀寫保護
iopl(i/o permssion level)
提供i/o保護，如果當前的程式沒有相應的許可權，不能執行一些i/o敏感的指令，如in,out,cli,sti.
i/o許可位圖
控制當前的程式那些i/o埠可以訪問。
保護模式的細節比較旁雜，要詳細了解可以參看intel開發手冊三卷，要真的理解保護模式工作原理還得review書上的源**，最好自已動手除錯一番。
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