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操作系统–特权级切换

有4个层次的特权级,从高到低依次是:0级、1级、2级、3级。切换特权级是指从0级转移到1级、或从1级转移到3级。总之,是指从一个特权级转移到了另外一个不同的特权级。

学习特权级切换,关键知识点是:

  1. 两个指令calliret
  2. 一个CPU特性:特权级变换时会将一个特权级的堆栈复制到另外一个特权级堆栈。

从低到高

只有使用调用门才能从低特权级转移到高特权级,更具体地说,是使用语句call 门选择子

门描述符

门选择子的结构和段选择子一致,只不过它指向的是门描述符而不是段描述符。

门描述符和段描述符占用的内存空间相同,都是8个字节,64个bit。可后者包含的元素是:

  1. 目标代码段选择子。
  2. 在目标代码段中的偏移量。
  3. ParamCount。这是什么?后面再解释。
  4. 门描述符的属性。

代码

使用调用门从低特权级转移到高特权级的代码是:

push	ax push	bx ;SelectorGate 指向一个高特权级的目标代码段 call	SelectorGate:0 

ParamCount

入栈了2个元素,2就是上文提到的ParamCount。可以把它理解成函数的参数。在门描述符中,ParamCount占用5个bit位,能表示的最大值是2的5次方-1,即31。这意味着,使用一个调用门,最多能入栈31个元素。

堆栈复制

假定,上面的代码的能成功从低特权级代码段L转移到高特权级代码段H。L和H是不同的代码段,各自的堆栈也不同。这不是必须的。L和H共用一个堆栈,也不是不行。这样的话,在H中操作堆栈可能会破坏L中的堆栈(总之,存在这种可能)。所以,代码段拥有独立的堆栈更好。

那么,问题来了。入栈操作发生在L中,被入栈元素存在于L的堆栈LS,在H中怎么从LS中获取数据呢?也许存在方法,但一定很繁琐。现实中,CPU会自动把LS中的元素复制到H的堆栈中。并非复制LS中的全部元素,而是从LS的栈顶开始,复制ParamCount个元素。这个复制操作发生在call执行的时候。

示意图

短调用是段内部的调用,长调用是段之间的调用。长调用才能从低特权级转移到高特权级。

短调用和长调用示意图之间的差别,仅仅在于后者把cs入栈了。cs是调用者的代码段选择子。

示意图中的堆栈,是H的堆栈HS。

短调用
call执行前—-> 高地址
ss
esp <———–堆栈
参数二(ax)
参数一(bx)
call执行后—-> eip
长调用
call执行前—-> 高地址
ss
esp <———–堆栈
参数二(ax)
参数一(bx)
cs
call执行后—-> eip

CPU工作流程–调用门

调用门的运行过程,涉及LS和HS两个堆栈。上面的示意图只画出了HS的状态,不足以阐述调用门的整个流程,本小节再用文字详细说明调用门的运行过程。

TSS

先介绍一个新东西,TSS,任务状态寄存器,一个寄存器。CPU在切换任务的时候,能用TSS给切换下来的任务建立一个快照,这个快照包含一个任务的所有寄存器数据。不过,大部分操作系统嫌弃这种切换方式太消耗时间,并没有完全按照CPU厂商的意图使用TSS。Linux系统也是如此。

在TSS中,包含ss0、esp0ss1、esp1ss2、esp2三组数据,正好对应0特权级、1特权级、2特权级三个层次的特权级。

特权级不是有四个层次吗?为什么没有对应3特权级的那一组数据呢?TSS的作用是为低特权级向高特权级转移时提供高特权级的堆栈。3特权级是最低特权级,没有更低的特权级向它转移。

假如,从3特权级向0特权级转移,CPU会从TSS中选择ss0、esp0作为0特权级代码段的堆栈。

流程

使用call SelectorGate:0实现低特权级向高特权级转移的流程如下(不叙述CPL等特权级检查流程,假设满足这些条件):

  1. 执行call语句时。
  2. 把当前代码段的堆栈LS的ss_old、esp_old临时保存起来。
  3. 从门选择子指向的目标代码段中获取DPL,根据DPL的值,在TSS中选择ss、esp,将堆栈指向的新堆栈。例如,DPL的值是0,选择ss0、esp0
  4. ss_old、esp_old中的入栈到新堆栈中。
  5. 把LS中的栈元素复制到新堆栈中。复制规则是:从LS的栈顶开始,复制ParamCount个元素。
  6. 依次入栈cs、eip

小结

从低特权级转移到高特权级的方法是,使用调用门,具体语句是call SelectorGate:0

不能使用jmpjmp只能在实现短调用,在同一个特权级转移。因为jmp不会将下一条指令的地址存储到新特权级的堆栈中,这意味着,jmp是一个有去无回的指令。从低特权级转移到高特权级的场景,一般是用户进程求助操作系统完成某种功能,需要再次返回用户进程。

从高到低

电脑开机后,CPU的特权级是0,这是从BIOS那里寄存下来的。这种知识似乎无用,懒得多说。

前文讲了从低特权级切换到高特权级的方法,可CPU从开始工作的那一刻起,一直都是在0特权级。这样说来,如果要动手实现从低特权级转移到高特权级,应该先实现从高特权级转移到高特权级。

怎么实现?

前文已经埋下了伏笔,call指令会将调用者(低特权级)的cs(选择子)eip(偏移量)入栈到被调用者(高特权级)的堆栈中。从堆栈中获取调用者(低特权级)的cs(选择子)eip(偏移量),就能从高特权级转移到低特权级。完成这项工作,只需一个指令而已,iretf

代码

;特权级是3 push ax push bx call SelectorGate:0  mov ax, 5 

call SelectorGate:0调用下面的代码。

;特权级是0 ;调用门选择子指向的目标代码段,高特权级代码段 ;一些操作,示范,不必理会具体功能 mov al, 'A' mov ah, 0Fh mov [gs:(80*20+20)*2], ax  iretf 

iretf执行后,CPU会继续执行mov ax, 5mov ax, 5就是被调用者堆栈中的cs:eip指向的指令。

示意图

还是画两个和上面call指令类似的堆栈图吧。

短调用返回

ret执行后 高地址
调用者ss
调用者esp
参数一
参数二
ret执行前 调用者eip

长调用返回

retf执行后 高地址
调用者ss
调用者esp
参数一
参数二
调用者cs
retf执行前 调用者eip

工作流程–iretf

长调用返回使用iretf指令将上面的堆栈S中的元素出栈。具体流程如下:

  1. 从S中获取调用者cs、调用eip,并加载到当前cs、eip中。
  2. iretf含有参数,esp增加参数个数跳过这些参数。
  3. 继续出栈,把调用者esp、调用者ss加载到当前espss中。此时会切换到调用者堆栈。
  4. iretf含有参数,增加esp的值以跳过参数(在call前,参数也压入了调用者堆栈中)。
  5. 最后执行cs:eip代码。

iretf

  1. RET:可能是近返回,也可能是远返回。
  2. RETN:近返回指令。
  3. RETF:远返回指令。
  4. RET6:子程序返回后,(SP)←(SP) + 6。

没有找到iretf的权威资料,上面的资料也没有验证。先搁置吧。

疑问

不使用调用门能不能转移特权级?

使用jmp只能在同特权级跳转。

一致代码段,call只能转移到比当前特权级高或相等的特权级。

非一致代码段,call只能在相同特权级跳转。

什么时候检查特权级

没有弄明白。好像不重要。

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