高特权级代码段转向低特权级代码段（利用 ret(retf) 指令实现 jmp from ring0 to ring3）

【0】写在前面

  • 0.1）本代码旨在演示 从 ring0 转移到 ring3（即，从高特权级 转移到 低特权级）
  • 0.2）本文 只对 与 门相关的 代码进行简要注释，言简意赅；
  • 0.3）文末的个人总结是干货，前面代码仅供参考的，且source code from orange’s implemention of a os.
; ==========================================
; pmtest5a.asm
; 编译方法：nasm pmtest5a.asm -o pmtest5a.com
; ==========================================%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明org 0100hjmp    LABEL_BEGIN

;[SECTION .gdt]

; GDT
;                           段基址,       段界限     , 属性
LABEL_GDT:             Descriptor 0,                0, 0         ; 空描述符
LABEL_DESC_NORMAL:     Descriptor 0,           0ffffh, DA_DRW    ; Normal 描述符
LABEL_DESC_CODE32:     Descriptor 0,   SegCode32Len-1, DA_C+DA_32; 非一致代码段,32
LABEL_DESC_CODE16:     Descriptor 0,           0ffffh, DA_C      ; 非一致代码段,16
LABEL_DESC_CODE_DEST:  Descriptor 0, SegCodeDestLen-1, DA_C+DA_32; 非一致代码段,32

; ring3的代码段描述符的定义 [add]

LABEL_DESC_CODE_RING3: Descriptor 0,SegCodeRing3Len-1, DA_C+DA_32+DA_DPL3
LABEL_DESC_DATA:       Descriptor 0,        DataLen-1, DA_DRW    ; Data
LABEL_DESC_STACK:      Descriptor 0,       TopOfStack, DA_DRWA+DA_32;Stack, 32 位

; ring3的堆栈段描述符的定义 [add]

LABEL_DESC_STACK3:     Descriptor 0,      TopOfStack3, DA_DRWA+DA_32+DA_DPL3
LABEL_DESC_LDT:        Descriptor 0,         LDTLen-1, DA_LDT    ; LDT

; ring3的视频段描述符的DPL属性设置为 3 [add]

LABEL_DESC_VIDEO:      Descriptor 0B8000h,     0ffffh, DA_DRW+DA_DPL3; 门                               目标选择子,偏移,DCount, 属性
LABEL_CALL_GATE_TEST: Gate SelectorCodeDest,   0,     0, DA_386CGate+DA_DPL0
; GDT 结束GdtLen   equ    $ - LABEL_GDT  ; GDT长度
GdtPtr   dw GdtLen - 1  ; GDT界限dd    0    ; GDT基地址; GDT 选择子
SelectorNormal   equ    LABEL_DESC_NORMAL   - LABEL_GDT
SelectorCode32   equ    LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDT
SelectorCode16   equ    LABEL_DESC_CODE16   - LABEL_GDT
SelectorCodeDest    equ LABEL_DESC_CODE_DEST    - LABEL_GDT

; ring3的代码段描述符的选择子定义 [add]

SelectorCodeRing3   equ LABEL_DESC_CODE_RING3   - LABEL_GDT + SA_RPL3SelectorData     equ    LABEL_DESC_DATA  - LABEL_GDT
SelectorStack    equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDT

; ring3的堆栈段描述符的选择子定义 [add]

SelectorStack3   equ    LABEL_DESC_STACK3   - LABEL_GDT + SA_RPL3SelectorLDT  equ    LABEL_DESC_LDT   - LABEL_GDT

;ring3的视频段描述符（DPL==3）的选择子定义 [add]

SelectorVideo    equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDTSelectorCallGateTest    equ LABEL_CALL_GATE_TEST    - LABEL_GDT
; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1] ; 数据段

ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_DATA:
SPValueInRealMode   dw  0
; 字符串
PMMessage:   db "In Protect Mode now. ^-^", 0   ; 进入保护模式后显示此字符串
OffsetPMMessage  equ    PMMessage - $$StrTest:	 db	"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0OffsetStrTest	 equ	StrTest - $$
DataLen  equ    $ - LABEL_DATA
; END of [SECTION .data1]

; 全局堆栈段
[SECTION .gs]

ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_STACK:times 512 db 0TopOfStack  equ $ - LABEL_STACK - 1; END of [SECTION .gs]

; 堆栈段ring3的定义
[SECTION .s3]

ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_STACK3:times 512 db 0
TopOfStack3 equ $ - LABEL_STACK3 - 1
; END of [SECTION .s3]

[SECTION .s16]

[BITS   16]
LABEL_BEGIN:mov    ax, csmov    ds, axmov    es, axmov    ss, axmov    sp, 0100hmov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], axmov    [SPValueInRealMode], sp; 初始化 16 位代码段描述符mov    ax, csmovzx  eax, axshl    eax, 4add    eax, LABEL_SEG_CODE16mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah; 初始化 32 位代码段描述符xor    eax, eaxmov    ax, csshl    eax, 4add    eax, LABEL_SEG_CODE32mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah; 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_DESTmov    word [LABEL_DESC_CODE_DEST + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE_DEST + 7], ah; 初始化数据段描述符xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_DATAmov    word [LABEL_DESC_DATA + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 4], almov    byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah; 初始化堆栈段描述符xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_STACKmov    word [LABEL_DESC_STACK + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 4], almov    byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah

; 初始化堆栈段描述符(Ring3) [add]

 xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_STACK3mov    word [LABEL_DESC_STACK3 + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_STACK3 + 4], almov    byte [LABEL_DESC_STACK3 + 7], ah; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_LDTmov    word [LABEL_DESC_LDT + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_LDT + 4], almov    byte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah; 初始化 LDT 中的描述符xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_CODE_Amov    word [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], almov    byte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah

; 初始化Ring3描述符 [add]

 xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_CODE_RING3mov    word [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 2], axshr    eax, 16mov    byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 4], almov    byte [LABEL_DESC_CODE_RING3 + 7], ah; 为加载 GDTR 作准备xor    eax, eaxmov    ax, dsshl    eax, 4add    eax, LABEL_GDT   ; eax <- gdt 基地址mov    dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; 加载 GDTRlgdt   [GdtPtr]; 关中断cli; 打开地址线A20in al, 92hor al, 00000010bout    92h, al; 准备切换到保护模式mov    eax, cr0or eax, 1mov    cr0, eax; 真正进入保护模式jmp    dword SelectorCode32:0  ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LABEL_REAL_ENTRY:    ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里mov    ax, csmov    ds, axmov    es, axmov    ss, axmov    sp, [SPValueInRealMode]in al, 92h  ; ┓and    al, 11111101b   ; ┣ 关闭 A20 地址线out    92h, al  ; ┛sti     ; 开中断mov    ax, 4c00h   ; ┓int    21h  ; ┛回到 DOS
; END of [SECTION .s16]

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.

[BITS   32]LABEL_SEG_CODE32:mov    ax, SelectorDatamov    ds, ax   ; 数据段选择子mov    ax, SelectorVideomov    gs, ax   ; 视频段选择子mov    ax, SelectorStackmov    ss, ax   ; 堆栈段选择子mov    esp, TopOfStack; 下面显示一个字符串mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字xor    esi, esixor    edi, edimov    esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2  ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。cld
.1:lodsbtest   al, aljz .2mov    [gs:edi], axadd    edi, 2jmp    .1
.2: ; 显示完毕call   DispReturn

; ; 以下代码分步骤演示了如何将A的堆栈拷贝到B的堆栈（A==调用者，B=被调用者）
; 1.将ring3的堆栈段描述符的选择子压栈 [add]

 push   SelectorStack3

; 2.将ring3的堆栈压栈 [add] 

 push   TopOfStack3

; 3.将ring3的堆栈值 压栈 [add] 

 push   SelectorCodeRing3push   0

; 4.retf 弹出ip + 弹出cs；此时ip==0， cs==SelectorCodeRing3，然后CPU自动解析出SelectorCodeRing3 索引（定位）的段描述符， 该描述符存储有
; 4.ring3下代码段LABEL_CODE_RING3 的基地址， 让我们转向 代码末尾的 LABEL_CODE_RING3 代码段吧；

 retf; 测试调用门（无特权级变换），将打印字母 'C'call   SelectorCallGateTest:0;call  SelectorCodeDest:0; Load LDTmov    ax, SelectorLDTlldt   axjmp    SelectorLDTCodeA:0  ; 跳入局部任务，将打印字母 'L'。; ------------------------------------------------------------------------
DispReturn:push   eaxpush   ebxmov    eax, edimov    bl, 160div    bland    eax, 0FFhinc    eaxmov    bl, 160mul    blmov    edi, eaxpop    ebxpop    eaxret
; DispReturn 结束---------------------------------------------------------SegCode32Len    equ $ - LABEL_SEG_CODE32
; END of [SECTION .s32]

[SECTION .sdest]; 调用门目标段

[BITS   32]LABEL_SEG_CODE_DEST:mov    ax, SelectorVideomov    gs, ax   ; 视频段选择子(目的)mov    edi, (80 * 12 + 0) * 2  ; 屏幕第 12 行, 第 0 列。mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字mov    al, 'C'mov    [gs:edi], axretfSegCodeDestLen  equ $ - LABEL_SEG_CODE_DEST
; END of [SECTION .sdest]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式
[SECTION .s16code]

ALIGN   32
[BITS   16]
LABEL_SEG_CODE16:; 跳回实模式:mov    ax, SelectorNormalmov    ds, axmov    es, axmov    fs, axmov    gs, axmov    ss, axmov    eax, cr0and    al, 11111110bmov    cr0, eaxLABEL_GO_BACK_TO_REAL:jmp    0:LABEL_REAL_ENTRY  ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值Code16Len   equ $ - LABEL_SEG_CODE16; END of [SECTION .s16code]

; LDT
[SECTION .ldt]

ALIGN   32
LABEL_LDT:
;                                         段基址       段界限     ,   属性
LABEL_LDT_DESC_CODEA:   Descriptor         0,     CodeALen - 1,   DA_C + DA_32  ; Code, 32 位LDTLen   equ    $ - LABEL_LDT; LDT 选择子
SelectorLDTCodeA    equ LABEL_LDT_DESC_CODEA    - LABEL_LDT + SA_TIL
; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)
[SECTION .la]

ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_CODE_A:mov    ax, SelectorVideomov    gs, ax   ; 视频段选择子(目的)mov    edi, (80 * 13 + 0) * 2  ; 屏幕第 13 行, 第 0 列。mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字mov    al, 'L'mov    [gs:edi], ax; 准备经由16位代码段跳回实模式jmp    SelectorCode16:0
CodeALen    equ $ - LABEL_CODE_A
; END of [SECTION .la]

; CodeRing3的定义（ring3下的代码段）
; 显然， ring3 中的任务执行完后， jmp $ 这句代码使得程序 就会 永久停留在该处；

[SECTION .ring3]
ALIGN   32
[BITS   32]
LABEL_CODE_RING3:mov    ax, SelectorVideomov    gs, axmov    edi, (80 * 14 + 0) * 2mov    ah, 0Chmov    al, '3'mov    [gs:edi], axjmp    $
SegCodeRing3Len equ $ - LABEL_CODE_RING3
; END of [SECTION .ring3]


【总结-Conclusion】

  • C1）实现ring0 jmp 到ring3， 使用的是ret 指令，代码如下：（核心代码）

    ; 以下代码分步骤演示了如何将A的堆栈拷贝到B的堆栈（A==调用者，B=被调用者）
    ; 1.将ring3的堆栈段描述符的选择子压栈 [add]（堆栈段描述符 存储有新堆栈的基地址ss）

    push    SelectorStack3

    ; 2.将ring3的堆栈压栈[add]（新栈顶指针esp压栈） 

    push    TopOfStack3

    ; 3.将ring3的堆栈值 压栈 [add] （将ring3 下的任务代码段基地址cs 压栈） 

    push    SelectorCodeRing3
;   (偏移量ip == 0 压栈)push   0

; 4.retf 弹出ip + 弹出cs；此时ip==0， cs==SelectorCodeRing3，然后CPU自动解析出SelectorCodeRing3 索引（定位）的段描述符， 该描述符存储有
; 4.ring3下代码段LABEL_CODE_RING3 的基地址；

 retf

要知道： retf == [ pop cs, pop ip ] ， ret == pop ip

  • C2）指令ret 用于执行近返回、同特权级远返回和不同特权级的远返回；
  • C2.1）近返回仅在当前代码段中转移程序控制权， 因此CPU 仅仅进行界限检查；
  • C2.2）对于同特权级远返回， CPU同时从堆栈中弹出返回代码段的选择子和返回指令指针；

  • C2.3）会发生特权级改变的远返回仅允许返回到低特权级程序中， 即返回到的代码段DPL要大于CPL；

  • 当执行远返回时， CPU执行以下步骤（也即是上述过程的第4步——指令retf）：

  • 1）检查保存的cs 中的RPL 以判断返回时是否要变换特权级；
  • 2）加载被调用者堆栈上的cs 和eip；
  • 3）如果ret 指令含有参数，则增加esp 跳过参数，然后esp 将指向被保存过的调用者ss 和 esp ；ret的参数个数对应 调用门中的 Param Count的值；
  • 4）加载ss 和 esp ， 切换到调用者堆栈，被调用者的ss 和 esp 被丢弃；
  • 5）如果ret 指令含有参数， 增加esp 的值以跳过参数；
  • 6）检查ds、es、fs、gs的值，如果其中哪一个寄存器指向的段的DPL 小于CPL（此规则不适用于一致代码段），那么一个空描述符会被加载到该寄存器；

    这里写图片描述

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