2-保护模式-2.3

微机接口技术
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第二模块 保护模式
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任务
多任务环境，是指其硬件允许软件系统 中存在多个任务，并能够以分时的方式使各 程序轮流执行。 当运行一个应用程序后，操作系统就为 这个程序创建一个任务。
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任务寄存器(TR)
• 在保护模式下，在任何时刻都有一个当 前任务，当前任务由TR寄存器指定，CPU在 这个任务的环境下执行。因此，系统中至 少存在一个任务。 • TR为16位选择符,选中TSS描述符.
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Privilege – check
16-bit visible selector CS Target Segment Selector INDEX RPL Invisible Descriptor CPL
Privilege check by CPU
Data Segment Descriptor
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由任务寄存器TR取得TSS的过程
Physical Memory ③ TR 16 15 0 LIMIT ⑤ TSS TSS descriptor GDT ①② 47 BASE
④
①和②步由GDTR确定了GDT表在存储器中的位 臵和限长。TR是一个选择符，这个选择符中包含了 TSS描述符在GDT中的索引。③步依据TR在GDT中取
出TSS描述符。在第④和⑤步中，在TSS描述符中取
得TSS的基址和限长。
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任务执行环境
每个任务都由两个部分组成：任务执行 环境TES（Task Executation Space）和任务 状态段TSS（Task State Segment）。任务执 行环境包括一个代码段、堆栈段和数据段等， 任务在每一个特权级上执行时都有一个堆栈 段。 图2-26
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特权级检查
• JMP指令
满足以下两个条件时，才允许使用调用门： （1） DPLGATE≥MAX（CPL, RPL） （2） CCODE为1且DPLCODE≤CPL 或 CCODE为0且DPLCODE＝CPL 如果CCODE为1，则当前特权级不变； 如果CCODE为0，则当前特权级也不变（DPLCODE＝CPL）。 结论：JMP指令使用调用门不能提升特权级。
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任务门
• 任务门指示任务。任务门内的选择子必须 指示GDT中的任务状态段TSS描述符，门中 的偏移无意义。任务的入口点保存在TSS中 。 • 段间转移指令JMP和段间调用指令CALL，通 过任务门可实现任务切换。
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调用门
• 调用门描述某个子程序的入口。调用门内的 选择子必须实现代码段描述符，调用门内的 偏移是对应代码段内的偏移。 • 利用段间调用指令CALL，通过调用门可实现 任务内从外层特权级变换到内层特权级。
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Restricting Control Transfers
16-bit visible selector CS Invisible Descriptor CPL
Privilege check by CPU
16 15 P 8 7 BASE 23..16 0 4
Code Segment Descriptor
– CPL = DPL (在同一优先级内转移) – or CPL >= DPL if the selected code segment is confirming segment (在低优先级中执行高优先级代码, 段描述符中的C位必须为1)
Conforming Code segments are accessible by privilege levels which are the same or less privileged than the conformingcode segment's DPL.
基于段的内存保护
访问内存时的检查 • 1）操作数的偏移量是否超出段的边界 • 2）操作是否与段的保护属性匹配
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基于段的内存保护
Memory Selector Offset Limit
Type and limit check
Data
Base Access rights
Selector
Limit
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任务状态段
TSS中保存了任务的各种状态信息。任 务状态段描述符（即TSS描述符）描述某个 任务状态段，规定了任务状态段的基地址 和任务状态段的大小等信息。 TSS存放在GDT中。 描述符格式如图2-27，2-28。
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TSS基本格式
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门描述符
• 门描述符并不描述某种内存段，而是描述 控制转移的入口点。这种描述符好比一个 同向另一代码段的门。通过这种门，可实 现任务内特权级的变换和任务间的切换。 所以，这种门描述符也称为控制门。
Privilege Check for Control Transfer with Call Gate
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特权级检查
• CALL指令
满足以下两个条件时，才允许使用调用门： （1） DPLGATE≥MAX（CPL, RPL） （2） DPLCODE≤CPL 如果CCODE为1，则当前特权级不变； 如果CCODE为0，则当前特权级提升为DPLCODE （DPLCODE＜CPL） 或者维持不变（DPLCODE＝CPL）。 DPLCODE≤CPL的条件是防止执行调用门后，当前特权级降低。接任务切换 段间跳转指令JMP X:Y或段间调用指令 CALL X:Y可以用来执行任务切换。在中断/ 异常或者执行IRET指令时也可能发生任务 切换。
门描述符与段选择符关系
IDT IDTR
GDT/LDT
基地址
代码段
门描述符
选择符 属性 偏移
段描述符
基地址 属性 边界
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为段寄存器赋值时的检查(续)
• 3）依据CPL、DPL、RPL来判断特权级是否 满足要求：DPL ≥ MAX(CPL, RPL). • CPL是当前正在运行的程序的特权级. • DPL是描述符特权级，位于段描述符中，它 表明了什么样的特权级程序可以使用这个 段。 • RPL是请求特权级。
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间接任务切换
当CPL＞DPLTSS时，就不能采用任务的 直接切换，必须通过任务门进行任务的切 换。 此时，指令中包含的是任务门选择 符。选择符指向的是任务门描述符，门中 的ＴＳＳ选择符选中新任务的ＴＳＳ描述 符，激活新的ＴＳＳ，启动新的任务。
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利用JMP/CALL或中断进行任务间接切换示意图
CPL < DPL, 可以转移吗?
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间接转移的保护
间接转移采用JMP/CALL X:Y指令，其中X不再 是16位段选择符，而是一个门选择符。 使用门选择符的转移是间接转移。 在直接转移中，X是16位段选择符。
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通过调用门的转移和检查
• 图2-35，通过调用门转移到更高的特权级。 • 图2-36，调用门的特权级检查。
• 如果在利用调用门调用子程序时引起特权级 的转换和堆栈的改变，那么就需要将外层堆 栈中的参数复制到内层堆栈。
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中断门和陷阱门
• 中断门和陷阱门描述中断/异常处理程序的 人口点。中断门和陷阱门内的选择子必须 指向代码段描述符，门内的偏移就是对应 代码段的人口点的偏移。 • 中断门和陷阱门只在中断描述符表IDT中才 有效。关于中断门和陷阱门的区别将在后 面论述。
Base Limit
LDT/ GDT
LDTR/ GDTR
Limit
Base
Base
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对程序转移的保护
直接转移的保护 1）同一代码段内转移时，只需要检查限长。 2）段间调用或跳转，需要检查限长，特权 级CPL和DPL。
CPL=DPL，允许跳转和调用。 CPL<DPL，禁止。 CPL>DPL，此时要检查段描述符的C位。如果C位为1， 表示这是一致代码段,允许跳转和调用。
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对数据访问的保护
为段寄存器赋值时的检查 程序要访问某一个段时，在将选择符赋给DS 之前，CPU依据选择符的TI位在GDT或LDT中 读入段描述符，并验证：
1）P位，如果P位为0，CPU会引发一个异常，由操作 系统程序进行处理 2）段类型是否与目标段选择符类型（CS、DS、SS等） 一致，即类型检查
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TSS中堆栈指针的使用
只有特权级别发生变化时才切换堆栈。 1. 使用CALL指令通过调用门向高特权级转移 2. 使用RET指令实现向低特权级转移。
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特权级保护
保护模式下设臵了0、1、2、3共4个特权 级，以区分操作系统程序和应用程序。这种 特权级机制阻止了用户程序对操作系统的非 法访问，保证高特权级的代码或数据不被低 特权级的程序所破坏。
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Privilege - check


CPL=0: 操作系统内核,
DPL=2, RPL=2, 应用程序的数据段.

MOV AX,0042h MOV DS,AX (DPL=2在段描述符中)

操作系统可以读取应用程序的数据段 CPL=3, RPL=0, DPL=0, 是否可以?
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任务切换的步骤
1. 把寄存器现场保存到当前任务的TSS（任 务A的TSS）。 2. 把指示目标任务（任务B）TSS的选择符装 入TR寄存器中，同时把对应TSS的描述符 装入TR的高速缓冲寄存器中。 3. 恢复当前任务（任务B）的寄存器现场。 4. 进行链接处理。
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5. 把CR0中的TS标志臵为1，这表示已发生过 任务切换，在当前任务使用协处理器指令 时，产生故障（向量号为7）。 6. 把TSS中的CS选择符的RPL作为当前任务特 权级，设臵为CPL。 7. 装载LDTR寄存器。 8. 装载代码段寄存器CS、堆栈段寄存器SS和 各数据段寄存器及其高速缓冲寄存器。