【OS學習筆記】十四 保護模式二：段描述符
上一篇文章初步進入保護模式的學習。首先學習了全域性描述符表GDT。點選連結檢視上一篇文章：全域性描述符表
本篇文章繼續學習，GDT中存放的條目：描述符，確切的說是段描述符。學習段描述符的作用以及段描述符的格式。
1、段描述符的格式
真實模式和保護模式，在記憶體訪問上是由區別的，在保護模式下，你不能說訪問哪個段就訪問哪個段，在訪問之前，必須在GDT內定義要訪問的記憶體段。這個定義就是段的描述符。
描述符不是使用者自己建立的，而是使用者程式被作業系統載入時，有作業系統根據使用者程式的結構而建立的。使用者程式是無法自己修改和建立GDT的。使用者程式只能老老實實的在自己的地盤上工作。這個時候作業系統為使用者程式建立了幾個段（定義了幾個段描述符），使用者程式就只能在這些段內工作，超出這個範圍，或者未按預定的方法訪問這些段，都將被處理器阻止。
一旦確定了GDT在記憶體中的位置，下一步就是確定要訪問的段，並在GDT中為這些段定義各自的段描述符。
如下圖，每個段描述符都是8位元組大小。圖中下面是低32位，上面是高32位。
很明顯，描述符制定了32位的段起始地址（段基地址），以及20位的段邊界。
在32位模式下，段地址與真實模式下的段地址不一樣。在真實模式先段地址不是真正的實體地址，它還需要左移4位。而保護模式下，段地址是32位的線性地址，它就是真實的實體地址（未開啟分頁功能，分頁功能後面學習）。
描述符中段基址和段界限不是連續的。這是歷史的問題與相容的問題。
20位的段界限是用來限制段的擴充套件範圍。
下面來介紹段描述符各個欄位的意思。
2、段描述符各個欄位的意義
下面的表格列出了上述段描述符的各個位的意思，如果現在不理解這些位也無所謂，後面的學習會慢慢深入理解。
| G： 粒度位 | 用於解釋段界限的含義。當G位是0時，段界限以位元組為單位。此時段的擴充套件範圍是從1位元組到1M位元組，因為描述符中的界限值是20位的。相反，如果該位是1，那麼段界限是以4KB位單位。這樣段的擴充套件範圍是4KB到4GB |
|---|---|
| S： 類 型 位 | 當該位是0時，表示是一個系統；為1時，表示是一個程式碼段或者資料段（棧段也是特殊的資料段）。系統段將在後面的文章中學習 |
| DPL 特權級 | 這兩位用於指定描述符的特權級。共有4中處理器支援的特權級別，分別是0、1、2、3 ，其中0是最高的特權級，3是最低的特權級別。剛進入保護模式時執行的程式碼具有最高特權級0（可以看成是從處理器那裡繼承來的）這些程式碼通常是作業系統程式碼，因此它的特權級最高。每當作業系統載入一個使用者程式，它通常都會制定一個低的特權級，比如3特權級。不同特權級的程式是互相隔離的，其訪問是嚴格限制的，而且有些處理器指令只能由0特權級的程式來執行，為的就是安全。在這裡，描述符的特權級是用於指定訪問該段所必須具有的最低特權級。 |
| P： 段存在位 | P位用於指示描述符所對應的段是否存在。一般來說，描述符所對應的段是在記憶體中。但是當記憶體空間緊張時，有可能指示建立了描述符，對應的記憶體空間並不存在，這時就應當把描述符的P位清零，表示段並不存在。另外，同樣是在記憶體空間緊張的情況下，會把很少用到的段換出到硬碟中，騰出空間給當前急需記憶體的程序使用，這時同樣要把P位清零，當再次輪到它執行時，再將其裝入記憶體，然後P位置1。 **P是由處理器負責檢查的。**每當通過描述符訪問記憶體段時，如果P位是0，處理器就會產生一個異常中斷。通常，該中斷處理過程是由作業系統提供的，該處理過程的任務是將該段從硬碟換回記憶體，並將P位置1。在多使用者、多工的系統中，這是一種常用的虛擬記憶體排程策略。 |
| D/B: 預設的運算元大小 | 設定該標誌位，主要是為了能夠在32位處理器上相容執行16位保護模式的程式。 該標誌位對不同的段有不同的效果。對於程式碼段，此位稱為D位，用於指定指令中預設的的偏移地址和運算元尺寸。D=0時表示指令中的偏移地址或者運算元是16位的。D=1時，表示32位的偏移地址和運算元。對於棧段來說，該位是B位，用於在進行隱式的棧操作中（push，pop，call等），是使用SP暫存器還是使用ESP暫存器。當B=0時，在訪問哪個段時，使用SP暫存器，否則就使用ESP暫存器。同時，B位的值，也決定了棧段的上邊界。如果B=0，那麼棧的上邊界是0xFFFF；如果B=1，那麼棧段的上邊界是0xFFFFFFFF。 |
| L：64位程式碼段標誌 | 保留此位給64位處理器使用。目前我們將它置0即可 |
| TYPE：描述符子型別 | 對於資料段來說，這4位分別是X,E,W,A，對於程式碼段來說這4位分別是X,C,R,A。他們具體的含義見下面的表格。 |
| AVL:軟體可以使用的位 | 通常由作業系統來用，處理器並不使用它。 |
下面表格是程式碼段和資料段的TYPE欄位
| X | E | W | A | 描述符類別 | 含義 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | X | 資料段 | 只讀 |
| 0 | 0 | 1 | X | 資料段 | 讀、寫 |
| 0 | 1 | 0 | X | 資料段 | 只讀，向下擴充套件 |
| 0 | 1 | 1 | X | 資料段 | 讀、寫，向下擴充套件 |
- X 表示是否可執行。對於資料段，總是不可執行。所以為0
- E 表示段的擴充套件方向。E=0是向上擴充套件的。E=1是向下擴充套件的
- W 指示段的讀寫屬性，W=0是不允許寫入的，W=1是可以正常寫入的
- A 是已訪問位，用於指示它所指向的段最近是否被訪問過。
| X | C | R | A | 描述符類別 | 含義 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | X | 程式碼段 | 只執行 |
| 1 | 0 | 1 | X | 程式碼段 | 執行、讀 |
| 1 | 1 | 0 | X | 程式碼段 | 只執行、依從的程式碼段 |
| 1 | 1 | 1 | X | 程式碼段 | 執行、讀、依從的程式碼段 |
- X 表示是否可執行。程式碼段總是可執行，所以為1
- C 指示段是否為特權級依從的。C=0時，表示非依從的程式碼段，這樣的程式碼段是可以從與它特權級相同的程式碼段呼叫，或者通過門呼叫；C=1時表示允許從低特權級的程式碼轉移到該段執行。
- R 指示程式碼段是否允許讀出。程式碼段總是可以執行的，但是為了防止程式破壞，它是不允許寫入的。至於是否有讀出的可能，由R位決定。R=0時表示不能讀出。R=1時，則程式碼段是可以讀出的。
- A 是已訪問位，用於指示它所指向的段最近是否被訪問過。
3、總結
今天學習段描述符的格式，以及段描述符各個欄位的含義。
筆記記得不是很全，如果有不懂的可以加我聯絡方式一起交流。
學習探討加個人：
qq：1126137994
微信：liu1126137994