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：
posted on 2020-12-10 10:54 lh03061238 阅读(130) 评论(0) 编辑 收藏 举报
