从零开始写 OS 内核 - 全局描述符表 GDT

2021-06-17 02:05:08 阅读：256 来源： 互联网

标签：kernel GDT FLAG 从零开始 base gdt OS DESC

系列目录

序篇
准备工作
BIOS 启动到实模式
GDT 与保护模式
虚拟内存初探
加载并进入 kernel
显示与打印
全局描述符表 GDT
中断处理
虚拟内存完善
实现堆和 malloc
创建第一个内核线程
多线程运行与切换
锁与多线程同步
进程的实现
进入用户态
一个简单的文件系统
加载可执行程序
系统调用的实现
键盘驱动
运行 shell

扩展并重载 GDT

本篇我们将在 kernel 中重新定义并扩展全局描述符表 GDT，并再次加载它。本篇的内容也会比较简单，更多的是对 x86 相关手册文档的查阅和熟悉。

GDT 在 loader 阶段我们已经初步定义并加载过一次，在那里我们只定义了 kernel 的 code 和 data 段，因为到目前为止，以及在后面相当长的一段时间里，我们始终处于 kernel 空间中，以 CPU 特权级 0 进行运行。但是作为一个 OS，最终是要运行并管理用户程序的，因此 GDT 中还需要加入用户态的 code 和 data 段。

另外我们也希望对前面的 GDT 重新整理一下，毕竟在汇编下比较混乱，很多数据结构管理起来不清晰。

GDT 代码

GDT 以及 segment 相关的知识，是 x86 体系架构的历史遗留产物，非常令人讨厌。但是 Intel 为了历史兼容，又不得不始终保留这些历史包袱。我们也不必花太多心思和脑筋在这上面，只要按照文档规范，把该填都填了，该写的都写了，轻轻带过就可以了。它并不是我们项目的核心部分。

按惯例，先给出代码链接，主要源文件是 src/mem/gdt.c。

关于 GDT 的文档，你可以参考这里。

首先我们需要定义 GDT entry 的数据结构：

struct gdt_entry {
  uint16 limit_low;
  uint16 base_low;
  uint8  base_middle;
  uint8  access;
  uint8  attributes;
  uint8  base_high;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_entry gdt_entry_t;

它对应的是这样一个 64 bit 的结构：

$\"\"$

其中 base 是指 segment 的内存基址，limit 则是长度，它可以有 1 或者 4KB 两种单位。

其余部分则是图二中展示的一些标志比特位，这里就不多费笔墨了，还是要对着文档仔细校对。

然后我们定义 GDT 表：

static gdt_entry_t gdt_entries[7];

我们这里分配了 7 个 entry：

第 0 项保留；
第一个是 kernel 的 code segment；
第二个是 kernel 的 data segment；
第三个是 video segment，这个不是必须的，可以无视；
第四个是 user 的 code segment；
第五个是 user 的 data segment；
第六个是 tss；

从第四个开始，都是用户态需要用到的。其中第六个 tss 目前不必深究，后面进入用户态时我们会回过来再细看这部分。

然后我们定义设置 GDT entry 的函数：

static void gdt_set_gate(
    int32 num, uint32 base, uint32 limit, uint8 access, uint8 flags) {
  gdt_entries[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_low = (base & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
  gdt_entries[num].access = access;
  gdt_entries[num].attributes = (limit >> 16) & 0x0F;
  gdt_entries[num].attributes |= ((flags << 4) & 0xF0);
  gdt_entries[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;
}

对照着上面那幅图看就可以了。

将 GDT 表中的这些 entry 都设置上：

  // kernel code
  gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // kernel data
  gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // video: only 8 pages
  gdt_set_gate(3, 0, 7, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

  // user code
  gdt_set_gate(4, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // user data
  gdt_set_gate(5, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

对比 kernel 和 user 部分的差别，主要是两点：

Access Byte 中的 Privl：一共两个 bit 位，对 kernel 来说它是 00，而对 user 则是 11，它的含义是 DPL (Descriptor Privilege Level)，代表的是访问这个 segment 需要的最小 CPU 特权级。
$\"\"$
Limit：因为用户空间限制在了 3GB 以下，所以它的 Limit 是 0xBFFFF，注意 Flags 的 Gr (Granularity) 位是 1，所以 Limit 的单位是 4KB，可以计算得到 (0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB；

有了这两点限制，当 CPU 处于用户态时，它就无法访问 3GB 以上的 kernel 空间，这样 segment 机制的作用就发挥出来了。

标签：kernel,GDT,FLAG,从零开始,base,gdt,OS,DESC
来源： https://www.cnblogs.com/ipython258/p/14891741.html

本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享；
2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除；
5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。

ICode9

从零开始写 OS 内核 - 全局描述符表 GDT

系列目录

扩展并重载 GDT

GDT 代码