知识复习(LDT+TSS+GATE+INTERRUPT)

【1】README

  • 1.0)由于实现进程的切换任务,其功能涉及到 LDT + TSS +GATE + INTERRUPT;下面我们对这些内容进行复习;
  • 1.1) source code from orange’s implemention of a os .

【2】知识复习(LDT+TSS+GATE + INTERRUPT)

2.1)LDT的复习

  • (1)在GDT中定义 LDT 描述符;
  • (2)然后在实模式下,初始化 GDT中的LDT描述符;
  • (3)还要初始化 LDT中的段描述符(用局部任务代码去初始化 LDT 中 段描述符的基地址);
  • (4)加载GDT到GDTR;
  • (5)切换到保护模式;
  • (6)做完任务后,跳转到局部任务(jmp SelectorLDTCodeA:0),SelectorLDTCodeA作为LDT的选择子,用于索引LDT中段描述符,其初始化在实模式下完成;
  • (7)紧接着就跳转到该选择子对应的任务代码段去执行;

2.2)对于GDT和LDT的结构,我们再做个总结
LABEL_GDT:
LABEL_DESC_LDT : Descriptor 0, LDTLen - 1, DA_LDT ; LDT
SelectorLDT equ LABEL_DESC_LDT- LABEL_GDT

LABEL_LDT
LABEL_LDT_DESC_CODEA : Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位
SelectorLDTCodeA equ LABEL_LDT_DESC_CODEA - LABEL_LDT: + SA_TIL

; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_LDT
mov word [LABEL_DESC_LDT + 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 4], al
mov byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

; 初始化 LDT 中的描述符
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_CODE_A
mov word [LABEL_LDT_DESC_CODEA+ 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA+ 4], al
mov byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA+ 7], ah

; Load LDT
mov ax, SelectorLDT
lldt ax
jmp SelectorLDTCodeA :0 ; 跳入局部任务

; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_CODE_A :
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax ; 视频段选择子(目的)
mov edi, (80 * 12 + 0) * 2 ; 屏幕第 10 行, 第 0 列。
mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 红字
mov al, ‘L’
mov [gs:edi],

(Attention)显然,我们发现,加载到 ldt 寄存器 的 选择子是 GDT中 LDT段描述符 的选择子, 而调用局部描述符对应的目标代码时,我们用的是 LDT 中的该代码对应的选择子;(干货)



2.2)TSS的复习

  • 由于每个任务可能在4个特权级间转移,故每个任务实际上需要4个堆栈;
  • 问题是:我们只有一个ss 和 esp, 那么当发生堆栈切换,我们该从哪里获取其他堆栈的ss 和 esp 呢?
    我们引入TSS, 它可以解决这个问题。
  • 我们再总结一下就是:不同特权级的代码段间的转移(更具体点,是从低特权级->高特权级),会发生堆栈切换,使得调用者的入栈的堆栈是针对调用者本身的堆栈, 而出栈操作是针对被调用者的堆栈,即入栈和出栈的堆栈不一致,使得特权级间跳转出错,故引入了 TSS;

(Conclusion)我们再理一理 TSS 和 GDT 的结构关系
; 任务状态段描述符 LABEL_DESC_TSS + 选择子
LABEL_GDT:
………..
LABEL_DESC_TSS : Descriptor 0, TSSLen-1, DA_386TSS ; ( DA_386TSS == 89h )
SelectorTSS equ LABEL_DESC_TSS - LABEL_GDT

; TSS [add] (任务状态段的定义)
[SECTION .tss]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_TSS :
DD 0 ; Back
DD TopOfStack ; 0 级堆栈
DD SelectorStack ;
DD 0 ; 1 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; 2 级堆栈
DD 0 ;
DD 0 ; CR3
DD 0 ; EIP
DD 0 ; EFLAGS
DD 0 ; EAX
DD 0 ; ECX
DD 0 ; EDX
DD 0 ; EBX
DD 0 ; ESP
DD 0 ; EBP
DD 0 ; ESI
DD 0 ; EDI
DD 0 ; ES
DD 0 ; CS
DD 0 ; SS
DD 0 ; DS
DD 0 ; FS
DD 0 ; GS
DD 0 ; LDT
DW 0 ; 调试陷阱标志
DW $ - LABEL_TSS+ 2 ; I/O位图基址
DB 0ffh ; I/O位图结束标志
TSSLen equ $ - LABEL_TSS

; 初始化 TSS 描述符,实模式
xor eax, eax
mov ax, ds
shl eax, 4
add eax, LABEL_TSS
mov word [LABEL_DESC_TSS+ 2], ax
shr eax, 16
mov byte [LABEL_DESC_TSS+ 4], al
mov byte [LABEL_DESC_TSS+ 7], ah

; Load TSS, 在保护模式中,从ring3->ring0之前
; 因为是先通过retf实现 ring0->ring3,然后通过门实现ring3->ring0(门目标段的特权级为0),ring3->ring0会发生堆栈切换,所以在这之前需要加载TSS进入 tr-任务寄存器
mov ax, SelectorTSS
ltr ax ; 在任务内发生特权级变换时要切换堆栈,而内层堆栈的指针存放在当前任务的TSS中,所以要设置任务状态段寄存器 TR。

push SelectorStack3
push TopOfStack3
push SelectorCodeRing3 ; 打印 ‘3’
push 0
retf
(Attention) 从以上代码,初始化TSS的内存空间,创建 GDT中的 TSS 描述符 以及 在实模式下初始化TSS 的描述符, 最后跳转到 保护模式,在特权级切换之前,我们把 TSS段描述符在GDT 中的选择子加载到了 tr-任务寄存器中,这样方便 不同特权级代码间的切换 进行堆栈切换;



2.3)GATE的复习

  • (1)在GDT中定义门描述符+门选择子 + 该门对应的代码段描述符及其选择子,从以下 门和门对应的代码段描述符 的定义可以看到,门描述符存储着该代码段描述符的选择子以建立它们间的联系;
    LABEL_DESC_CODE_DEST: Descriptor 0,SegCodeDestLen-1, DA_C+DA_32; 非一致代码段,32
    SelectorCodeDest equ LABEL_DESC_CODE_DEST- LABEL_GDT
    ; 门 目标选择子,偏移,DCount, 属性
    LABEL_CALL_GATE_TEST : Gate SelectorCodeDest, 0, 0, DA_386CGate+DA_DPL0
    SelectorCallGateTest equ LABEL_CALL_GATE_TEST - LABEL_GDT

  • (2)在实模式中初始化测试调用门的代码段描述符;(门对应的代码段,我们称其为调用门目标段)

    ; 初始化测试调用门的代码段描述符xor    eax, eaxmov    ax, csshl    eax, 4add    eax, LABEL_SEG_CODE_DEST ; (调用门目标段基地址)mov    word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah
    
  • (3)加载GDT到GDTR,并进入保护模式;

  • (4)做完任务后,测试调用门(call SelectorCallGateTest:0),注意,它这里的调用地址用的是 调用门选择子,通过调用门选择子->调用门描述符->门目标段选择子->门目标段描述符->门目标段基地址,即通过调用门选择子寻址到门目标段基地址去运行;
    ; 测试调用门(无特权级变换),将打印字母 ‘C’
    call SelectorCallGateTest:0



    2.4)中断复习

  • step0)构建中断处理程序函数(在32位代码段的保护模式中):

    _UserIntHandler:
    UserIntHandler  equ _UserIntHandler - $$mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字mov    al, 'I'mov    [gs:((80 * 0 + 70) * 2)], ax    ; 屏幕第 0 行, 第 70 列。iretd_SpuriousHandler:
    SpuriousHandler equ _SpuriousHandler - $$mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字mov    al, '!'mov    [gs:((80 * 0 + 75) * 2)], ax    ; 屏幕第 0 行, 第 75 列。jmp    $iretd
    
  • step1)构建IDT,IDT表项也就是门(中断门+陷阱门),主要是为中断向量号(依据表项索引)绑定中断处理程序,(为演示方便,特别为向量号 80h 绑定了中断处理程序),要知道,中断向量号 把中断异常的处理程序 与 中断异常类型联系了起来;

    [SECTION .idt]
    ALIGN   32
    [BITS   32]
    LABEL_IDT:
    ; 门                        目标选择子,            偏移, DCount, 属性
    %rep 128Gate  SelectorCode32, SpuriousHandler, 0, DA_386IGate
    %endrep
    .080h:   Gate   SelectorCode32, UserIntHandler,  0, DA_386IGate
    IdtLen   equ    $ - LABEL_IDT
    IdtPtr   dw IdtLen - 1  ; 段界限dd    0    ; 基地址
    
  • step2)实模式下,为加载IDTR做准备, 并将IDT(基地址+段界限)加载到 IDTR;

    ; 为加载 IDTR 作准备xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_IDT   ; eax <- idt 基地址mov    dword [IdtPtr + 2], eax ; [IdtPtr + 2] <- idt 基地址; 加载 GDTRlgdt   [GdtPtr]; 关中断cli; 加载 IDTRlidt   [IdtPtr]
    
  • step4)向主8259A写入OCW1,以开启定时器中断, 然后向从8259A写入OCW1 以屏蔽从8259A所有中断;

    ; start Init8259A  
    Init8259A:mov al, 011hout 020h, al    ; 主8259, ICW1.call    io_delayout 0A0h, al    ; 从8259, ICW1.call    io_delaymov al, 020h    ; IRQ0 对应中断向量 0x20out 021h, al    ; 主8259, ICW2.call    io_delaymov al, 028h    ; IRQ8 对应中断向量 0x28out 0A1h, al    ; 从8259, ICW2.call    io_delaymov al, 004h    ; IR2 对应从8259out 021h, al    ; 主8259, ICW3.call    io_delaymov al, 002h    ; 对应主8259的 IR2out 0A1h, al    ; 从8259, ICW3.call    io_delaymov al, 001hout 021h, al    ; 主8259, ICW4.call    io_delayout 0A1h, al    ; 从8259, ICW4.call    io_delaymov al, 11111110b   ; 仅仅开启定时器中断;mov    al, 11111111b   ; 屏蔽主8259所有中断out 021h, al    ; 主8259, OCW1.call    io_delaymov al, 11111111b   ; 屏蔽从8259所有中断out 0A1h, al    ; 从8259, OCW1.call    io_delayret
    ; over Init8259A  
    
  • step5)触发中断 int 080h;

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