羽夏看Linux內核——段相關入門知識

寫在前面

  此系列是本人一個字一個字碼出來的，包括示例和實驗截圖。如有好的建議，歡迎回饋。碼字不易，如果本篇文章有幫助你的，如有閑錢，可以打賞支援我的創作。如想轉載，請把我的轉載資訊附在文章後面，並聲明我的個人資訊和本人部落格地址即可，但必須事先通知我。

前置知識

  在開始正式介紹之前，有一些知識需要講解一下，否則基本就是聽天書。但是，有些知識是本教程的前置知識，也就是說，我不會在該教程介紹，但我們會去使用它：

  • 程式編寫和現代作業系統的基本概念，比如虛擬地址、記憶體、進程執行緒等；
  • C/C++ 編寫以及使用 GCC 編譯；
  • 8086彙編的編寫以及兩種語法；
  • Make 的使用；

基礎知識

  下面我們來介紹一些基礎知識和硬體的「硬性規定」。

實模式與保護模式

  實模式是Intel 80286和之後的8086兼容CPU的操作模式。實模式的特性是一個20位的存儲器地址空間，它定址具有1MB的存儲器的能力，可以直接軟體訪問BIOS以及周邊硬體，沒有硬體支援的分頁機制和實時多任務概念。從80286開始，所有的8086 CPU的開機狀態都是實模式。8086等早期的CPU只有一種操作模式，類似於實模式。

段暫存器

  當我們用彙編讀寫某一個地址時，比如用下面的程式碼：

mov dword ptr ds:[0x123456], eax

  其實我們真正讀寫的地址是:ds.base + 0x123456。並不是0x123456，不過正好的是ds段暫存器的基址是0而已。
  段暫存器有這幾個：ES、CS、SS、DS、FS、GS、LDTR、TR，它們各有自己特殊的用途。
  段暫存器的結構可用下圖表示：

  段暫存器具有96位，但我們可見的只有16位。我們可以用調試器隨意載入一個程式，但由於我是64位系統，無法編譯32位程式，也找不到相應的程式，就不給圖了。
  既然是暫存器了，那就可以進行讀寫操作，如下將介紹讀寫段暫存器的操作：

  • Mov指令：MOV AX,ES，但只能讀16位的可見部分；MOV DS,AX寫段暫存器，寫的是96位。
  • 讀寫LDTR的指令為：SLDT/LLDT
  • 讀寫TR的指令為：STR/LTR

CPU分級

  如果要講段描述符與段選擇子，先介紹CPU分級的概念。數值上越小，許可權越大。如果低許可權訪問高許可權的東西，會導致失敗。0環被內核使用，雖然1環和2環存在，但Windows只用了3環。注意在學習保護模式是時候不要把作業系統的概念扯進去，還沒到作業系統層面。 CPU分級示意圖如下：

GDT 與 LDT

  GDT是全局描述符表。LDT為局部描述符表，但Windows並沒有使用它，故不再介紹，感興趣請查詢Intel白皮書。當我們執行類似MOV DS,AX指令時，CPU會查表，根據AX的值來決定查找GDT還是LDT，並找到對應的段描述符。段描述符將會在後面部分進行介紹。

  GDT表存在於記憶體之中。CPU要想找到它，就必須知道它的位置。於是乎CPU有一個暫存器。它被稱之為GDTR，存儲了GDT表的位置和大小，是一個48位的暫存器，用C語言表示如下：

struct GDTR
{
    DWORD GDTBase;    //GDT表的地址
    SHORT limit;      //GDT表的大小
}

段選擇子

  段選擇子結構簡單，那我先介紹它。它是一個16位的描述符，指向了定義該段的段描述符（段描述符比較複雜，後面將會完整介紹）。段選擇子結構如下圖所示：

  它的成員解釋如下：

  • RPL：請求特權級別，通俗的講我用什麼許可權來請求。
  • TI：TI=0時，查GDT表；TI=1時，查LDT表。
  • Index：處理器將索引值乘以8在加上GDT或者LDT的基地址，就是要載入的段描述符。

段描述符

  既然提到段描述符，那我來介紹一下它的結構如下圖所示：

  段描述符有很多成員，它的成員將會在下面詳細介紹，學習的時候一定要按照我介紹的順序進行學習：

P位

  P = 1段描述符有效，P = 0段描述符無效。

Base

  Base被分成了三個部分，從圖可知：Base的低16位被放到了段描述符的低四個位元組，高16位被均分到段描述符的高四個位元組的頭和尾。把它們依次拼接起來就是完整的Base。

Limit

  由圖可知，把段描述符中所有的Limit拼接起來就只有20位。上一節教程說它有32位的Limit。那就是要看G位了。

G位

  如果G = 0，說明段描述符中的Limit的單位是位元組，段長度Limit範圍可從1B～1MB，即在20位的前面補3個0即可；如果G = 1，說明段描述符中的Limit的單位是位元組為4KB，即段長度Limit範圍可從4KB～4GB，在20位的後面補充FFF即可。舉個例子，如果Limit拼接後的為FFFFF，如果G為0則為000FFFFF，反之為FFFFFFF。

S位

  S = 1程式碼段或者數據段描述符，S = 0系統段描述符。

TYPE域

  TYPE域是比較複雜的成員，它表示的含義受S位的影響。

  • 當S位為1時

  此時段描述符表示的是程式碼段或者數據段，如下圖所示：

  對於表格中Type域的屬性和含義，如下表格所示：

屬性 含義 屬性 含義
A 訪問位 E 向下擴展位
R 可讀位 W 可寫位
C 一致位

  對於比較特殊的屬性，我們將進一步介紹：

C位

  C = 1：一致程式碼段；C = 0：非一致程式碼段。什麼是一致程式碼段，什麼是非一致程式碼段，將在後面的教程進行介紹。

E位

  什麼是向下拓展位，我們以fs為例來看一下如下示意圖：

  左邊表示向上拓展，右邊是向下拓展。即向上拓展base到base+limit之間區域有效，其餘無效；向下拓展base到base+limit之間的區域無效，其餘有效。這個位針對數據段有效。

  • 當S位為0時

  此時段描述符表示的是系統段，系統段有很多種，將會在後面的教程進行詳細講解。Type域每一個數值的含義如下圖所示：

DB位

  DB位對不同的段具有不同的影響，情況如下：

1️⃣ 對CS段的影響
  D = 1採用32位定址方式,D = 0採用16位定址方式。

2️⃣ 對SS段的影響
  D = 1隱式堆棧訪問指令（如：PUSH POP CALL）使用32位堆棧指針暫存器ESP，D = 0隱式堆棧訪問指令（如：PUSH POP CALL）使用16位堆棧指針暫存器SP。

3️⃣ 向下拓展的數據段
  D = 1段上線為4GB，D = 0段上線為64KB。至於是什麼意思，我們來看下面一張圖。

  紅色表示向下拓展能定址的範圍。可以看出，如果D = 0，就算原來能定址4GB，因為DB位的限制導致最大範圍是64KB。

DPL

  DPL(Descriptor Privilege Level)，即描述符特權級別，規定了訪問該段所需要的特權級別是什麼。如果通俗的理解，就是：如果你想訪問我，那麼你應該具備什麼許可權。

AVL

  AVL指示是否可供系統軟體使用，由作業系統來使用，CPU並不使用它。

載入段描述符至段暫存器

  除了MOV指令，我們還可以使用LES、LSS、LDS、LFS、LGS指令修改暫存器。CS不能通過上述的指令進行修改，CS為程式碼段，CS的改變會導致EIP的改變，要改CS，必須要保證CS與EIP同時改，後面會講解。

CPL/RPL/DPL

  • CPL：CPU當前的許可權級別
  • DPL：如果你想訪問我，你應該具備什麼樣的許可權（CPL）
  • RPL：用什麼許可權去訪問一個段

RPL存在的意義

  舉個例子，我們本可以用讀寫的許可權去打開一個文件，但為了避免出錯，有些時候我們使用只讀的許可權去打開。

一致程式碼段與非一致程式碼段

對於一致程式碼段，也稱為共享段：

  • 特權級高的程式不允許訪問特權級低的數據：核心態不允許訪問用戶態的數據
  • 特權級低的程式可以訪問到特權級高的數據，但特權級不會改變：用戶態還是用戶態

對於非一致程式碼段：

  • 只允許同級訪問
  • 絕對禁止不同級別的訪問：核心態不是用戶態，用戶態也不是核心態

數據段的許可權檢查

  數值上，CPL<=DPL且RPL<=DPL。同時滿足上述條件才能通過。

程式碼段的許可權檢查

  下面的比較都是數值上的比較：

  • 如果是非一致程式碼段，要求：CPL==DPL且RPL<=DPL
  • 如果是一致程式碼段，要求：CPL>=DPL

程式碼跨段基礎

  程式碼跨段本質就是修改CS段暫存器。前面的教程介紹過段暫存器讀寫，除CS外，其他的段暫存器都可以通過MOV/LES/LSS/LDS/LFS/LGS指令進行修改。但是CS為什麼不可以直接修改呢？CS的改變意味著EIP的改變，改變CS的同時必須修改EIP，故我們無法使用上面的指令來進行修改，這個也是CPU不允許的。

程式碼間的段間跳轉

  段間跳轉，有2種情況，即要跳轉的段是一致程式碼段還是非一致程式碼段，它們不同做的許可權檢查就不同。
  同時修改CS與EIP的指令如下：JMP FAR/CALL FAR/RETF/INT/IRETED

  本篇只介紹段間跳轉，故只使用JMP FAR，即為長跳轉。下面我舉個示例來進行講解：

CPU如何執行這行程式碼JMP 0x20:0x004183D7？

1️⃣ 段選擇子拆分
  0x20對應二進位形式：0000 0000 0010 0000

  • 解析結果：
    • RPL = 0
    • TI = 0
    • Index = 4

2️⃣ 查表得到段描述符

  TI=0 所以查GDT表，Index=4找到對應的段描述符。注意四種情況可以跳轉：程式碼段、調用門、TSS任務段、任務門。後面的幾種將會在以後的教程詳細講解。

3️⃣ 許可權檢查

  請參考本節的程式碼段的許可權檢查

4️⃣ 載入段描述符
  通過上面的許可權檢查後，CPU會將段描述符載入到CS段暫存器中。

5️⃣ 程式碼執行
  CPU將CS.Base + Offset的值寫入EIP然後跳轉到將要執行的CS:EIP處的程式碼，段間跳轉結束。

直接對程式碼段進行JMP或者CALL的操作，無論目標是一致程式碼段還是非一致程式碼段，CPL都不會發生改變。如果要提升CPL的許可權，只能通過調用門。

練習與思考

本節的答案將會在下一節進行講解，務必把本節練習做完後看下一個講解內容。不要偷懶，實驗是學習本教程的捷徑。

  俗話說得好，光說不練假把式，如下是本節相關的練習。如果練習沒做好，就不要看下一節教程了，越到後面，不做練習的話容易夾生了，開始還明白，後來就真的一點都不明白了。本節練習不多，請保質保量的完成。

  1. 為什麼20位的定址可以達到1MB？
  2. 拆分如下的段描述符：
00000000`00000000 00cf9b00`0000ffff
00cf9300`0000ffff 00cffb00`0000ffff
00cff300`0000ffff 80008b04`200020ab
ffc093df`f0000001 0040f300`00000fff
0000f200`0400ffff 00000000`00000000
80008955`22000068 80008955`22680068
00009302`2f40ffff 0000920b`80003fff
ff0092ff`700003ff 80009a40`0000ffff
80009240`0000ffff 00009200`00000000
  1. 拆分如下段選擇子：
002B 0023 0010 001B 003B
  1. 快速辨別問題2給定段描述符是否可用以及段基址、段長（至少10個）
  2. 記住程式碼段間跳轉的執行流程。

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