段页式访存——逻辑地址到线性地址的转换

继续底层知识，想要看懂 PWN 题和理解汇编代码，必须要搞懂这些底层知识啊。搞懂 movl 8(%ebp), %eax（IA-32 架构）真的不容易。。。

movl 8(%ebp), %eax（IA-32）

首先我们来看这条指令什么意思：把内存中某个地址的 32 位数据，放入 eax 寄存器中。你可以理解为地址为：%ebp + 8。但是，这只是虚拟地址。而且在 IA-32 架构中，虚拟存储空间是段页式。也就是说，在执行这条命令的时候，为了找到主存的物理地址，要经过段和页两种结构。搞懂这两种东西真的不容易！来吧，让我们开始吧。

存储地址要经过以下阶段：

逻辑地址 -------> 线性地址 -------> 物理地址

（以下内容全是 IA-32 架构）

分段过程

分段过程的实质就是逻辑地址 -------> 线性地址 的过程

整个过程如下图所示：

 

 

逻辑地址实际是由 48 位组成的，前 16 位包括「段选择符」后 32 位「段内偏移量」

• 啥是「段」

  还记得「可执行文件」中的段吗？有代码段、数据段。。。

• 啥是「段选择符」

  这个先按下不表，主要作用是可以用「段选择符」找到所需段

• 那什么又是「段内偏移量」

  「段内偏移量」其实就是指令地址相对于段基址的偏移量，也就是说，如果能找到段的位置（与段选择符）有关，就能找到，对应偏移量的指令地址

如何通过「段选择符」找到段基址

之前我们说过：逻辑地址一共有 48 位。前 16 位是段选择符。

 

 

这 16 位的格式如上图。

• 索引：「描述符表」的索引（Index）

• TI：如果 TI 是 0。「描述符表」是「全局描述符表（GDT）」，如果 TI 是 1。「描述符表」是「局部描述表（LDT）」

• RPL：段的级别。为 0，位于最高级别的内核态。为 11，位于最低级别的用户态。在 linux 中也仅有这两种级别。

整体过程就是：

通过索引在描述符表中找到段基址，用图片叙述就是这样（图片左边）：

 

 

其中 GDT 和 LDT 的首地址，存在用户不可见的寄存器中：

 

 

下面的内容将详细介绍这些你不知道的名词。

什么是「描述符表」

实际上就是「段表」，由「段描述符（段表项）」组成。有三种类型：

• 全局描述符 GDT：只有一个，用来存放系统内用来存放系统内每个任务共用的描述符，例如，内核代码段、内核数据段、用户代码段、用户数据段以及 TSS（任务状态段）等都属于 GDT 中描述的段。

• 局部描述符表 LDT：存放某任务（即用户进程）专用的描述符

• 中断描述符表 IDT：包含 256 个中断门、陷阱门和任务门描述符

什么是「段描述符」

段描述符就是表项，一种记录每个段信息的数据结构。我们之前说到的「段选择符」就是描述符表（段表）中的索引。

一图讲清楚段描述符：

 

 

一个段描述符的大小是 8B。现在把段描述符的每个部分讲清楚：

• B31~B0：32 位基地址（段的基地址）

• L19~L0：20 位界限，表示段中的最大页号

• G：与界限的单位有关。设置 G = 1，以页（4 KB）为单位，所以最大段为 ；G = 0 时，以字节位单位，所以最大段为

• D：D = 1 表示段内偏移量为 32 位宽，D = 0 表示段内偏移量为 16 位宽

• P：P = 1 表示存在，P = 0 表示不存在。Linux 总把 P 置 1，不会以段为单位淘汰。

• DPL：访问段时对当前特权级的最低等级要求。因此，只有 CPL 为 0（内核态）时才可访问 DPL 为 0 的段，任何进程都可访问 DPL 为 3 的段（0 最高、3 最低）

• S：S = 0 系统控制描述符，S = 1 普通的代码段或数据段描述符

• TYPE：段的访问权限或系统控制描述符类型

• A：A = 1 已被访问过，A = 0 未被访问过。（通常 A 包含在 TYPE 字段中）

问一个问题！

像 GDT 表这样的表存在哪里?存在主存里面！

好，既然存在主存里面，就有一个速度的问题。这种问题的解决办法就是用 Cache。

用 Cache 解决分段问题

学习如何用 Cache 解决分段问题之前。我们得先知道逻辑地址的前 16 位地址怎么来的。

逻辑地址的前 16 位是段选择符，「段选择符」存在寄存器中：

 

 

每个寄存器的作用如下：

 

 

也就是每个进程的每个段都有相应段的段选择符寄存器。

有了「段选择符」以后，就能拿到对应表中的段基址了。那 Cache 又是怎么派上用场的呢？

 

 

只有第一次取地址的时候才会去主存中访问 GDT 表。之后根据「段选择符」选择地址的时候，都是在 Cache 里面去找，不用再访问主存。

 

 

（MMU 是 Memory Management Unit 内存管理单元）

一点小变化

为使能移植到绝大多数流行处理器平台，Linux 简化了分段机制

 

 

为了简化，初始化的时候，所有的基地址都是 0。

总结

小小的总结一下：如何从逻辑地址 -------> 线性地址

 

 

 

  

 

作者：madao756
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来源：简书
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