【从头开始写操作系统系列】一致代码段与非一致代码段

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上几篇文章，我们一直在讨论的都是 GDT 相关的一些问题，现在我们知道在系统在从实模式向保护模式跳转时，GDT 是必须要准备的结构。在介绍这一跳转之前，这篇文章我们来介绍两个概念：一致代码段和非一致代码段。

首先，我们先来看几个问题：

  • 一致代码段和非一致代码段是什么？

  • 为什么要有一致代码段和非一致代码段？

  • 系统提供怎样的机制来使用户程序访问内核数据？

  • 程序如何在段与段之间跳转？

接下来，我们将讨论上述这些问题。

特权级

为了更好的理解之后的问题，我们先来讨论一个概念：特权级。

  • 特权级是一种机制来保护数据和防止恶意行为，特权级分4种：0，1，2，3。0为最高特权级，4为最低。（在 Linux 中只使用了0和3）

  • 这些特权级是通过三个标志来表示的：CPL，DPL，RPL

    • CPL 是存放于如 CS、SS 寄存器中的，表示当前特权级
    • DPL 是在 GDT（全局描述符表）/LDT（局部描述符表）中的，静态的
    • RPL是代码中根据不同段跳转而确定，用于刷新 CPL

  • CPL（Current Privilege Level）是表示当前执行程序的特权级，它被存放在CS 和 SS 的第0位和第1位。通常情况下，CPL等于代码的段的特权级。在遇到一致代码段时，一致代码段可以被相同或者更低特权级的代码段访问。当处理器访问一个与 CPL特权级不同的代码段时，CPL 不会改变。

  • DPL（Descriptor Privilege Level）表示段或者门的特权级，它被存储在段描述符或门描述符的 DPL 字段中。当当前代码段要访问一个段或门时，DPL 会和 CPL 以及段选择子或门选择子的 RPL 进行比较，根据段或门的不同类型，DPL 将会被区别对待

    • 数据段：DPL 规定了可以访问该段的最低特权级，如果 DPL 为1，那么只有运行在CPL 为0或者1的程序才有权访问它。
    • 非一致代码段（不使用调用门的情况下）：DPL 规定了可以访问该段的特权级，如果 DPL 为1，那么只有运行在 CPL 为1的程序才有权访问它。
    • 调用门：DPL 规定了当前运行程序可以访问调用门的最低特权级（和数据段访问规则相同）
    • 一致代码段和通过调用门访问的非一致代码段：DPL 规定了有权访问该段的最高特权级。例，一个一致代码段的 DPL 为2，那么运行在 CPL 为0，1的程序无权访问此段。

  • RPL（Request Privilege Level）：RPL 是通过选择子的第0，1位表现出来的，处理器通过检查 CPL 和 RPL来确认一个访问请求是否合法。

一致代码段与非一致代码段

  • 一致代码段：通俗的讲，一致代码段就是系统用来共享、提供给低特权级的程序使用调用的代码。

  • 非一致代码段：为了避免被低特权级程序访问而被系统保护起来的代码。

一致代码段限制

  • 特权级高的程序不允许访问特权级低的数据，即核心态程序不能访问用户态数据。

  • 特权级低的程序可以访问特权级高的程序，但是特权级不会因此而改变。

非一致代码段限制

  • 只允许同级之间访问

  • 不允许不同级之间访问，核心态不能访问用户态，用户态也不能访问核心态

通常低特权值代码必须通过『门』来完成对高特权值代码的调用

为什么要定义一致代码段与非一致代码段？

定义这个概念主要是为了系统安全：内核要和用户程序分开，内核一定要安全不能被用户程序干涉。但有时候用户程序也需要读取内核的某些数据。于是操作系统内核程序开辟一些可以供用用户程序访问的段，但是不允许用户程序写入数据。内核不用知道用户程序的数据，内核不用调用用户程序的数据，内核不用转移到用户程序中来。用户程序只能访问到内核的某些共享的段，我们称这些段为一致代码段。用户程序不能访问内核不共享的段。

门描述符

门描述符结构

image

调用门的使用方式

image

门描述符的实现

; 门描述符
; 4个参数: 
; 1.选择子：16位
; 2.偏移量：32位
; 3.DCount
; 4.属性
%macro Gate 4 dw  (%2 & 0FFFFh) ;取参数2的低16位填充一个 WORD dw  %1 ;取参数1填充一个 WORD dw  (%3 & 1Fh) | ((%4 << 8) & 0FF00h)   ; 属性 dw  ((%2 >> 16) & 0FFFFh) ; 偏移2
%endmacro ; 共 8 字节
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不同特权级代码段的转移

使用 jmp 和 call 可以实现下列4种转移：

  • 目标操作数包含目标代码段的段选择子

  • 目标操作数指向包含目标代码段段选择子的门描述符

  • 目标操作数指向包含目标代码段段选择子的 TTS（Task-State Stack）

  • 目标操作数指向一个任务门，这个任务门指向包含目标代码段段选择子对 TTS

这四种方式可以分为两类：一是，通过 call 或 jmp 的直接转移，二是，通过某个描述符的间接转移

通过 call 和 jmp 直接转移

目标代码段 条件 CPL 变化
非一致代码段 CPL=DPLRPL<=DPL 当转移到目标代码段时，CPL=DPL
一致代码段 CPL>DPL，RPL 不做检查 当转移到目标代码段时，CPL 会延续下来

通过门描述符的转移

假设我们想由代码A转移到代码B，运用一个调用门G，即调用门G中的目标选择子指向代码B的段。实际上，这个问题主要涉及这几个元素：CPL、RPL、代码B的DPL（记做DPL_B），调用门G的DPL（记做DPL_G）。

目标代码段 call jmp
非一致代码段 CPL<=DPL_GRPL<=DPL_GDPL_B<=CPL CPL<=DPL_GRPL<=DPL_GDPL_B=CPL
一致代码段 CPL<=DPL_GRPL<=DPL_GDPL_B<=CPL CPL<=DPL_GRPL<=DPL_GDPL_B<=CPL

通过调用门和 call 指令，可以实现低特权级到高特权级的转移，无论目标代码段是一致的还是非一致的

通过门调用和 jmp 指令，如果目标代码段是一致的，则可以实现低特权级到高特权级的转移；如果是非一致的，那么只能实现相同特权级的转移

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（完）