保护模式编程之(一)——分段机制与GDT/LDT

2024-04-22 14:48

本文主要是介绍保护模式编程之(一)——分段机制与GDT/LDT,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

概述:若想理解操作系统程序中的启动相关的部分,必须要理解保护模式下的编程,而分段机制是保护模式编程下的基础。另外,由于实模式与保护模式的不同,对保护模式下的分段机制更需要注意。同时,这一部分的基本数据结构是以后理解代码跳转的基础,必须要熟练。


本文来源:保护模式编程之(一)——分段机制与GDT/LDT

1.段的定义


        段是虚拟地址到线性地址转换的基础,段的特征有以下三个:段基址,段限长,段属性。这三个特征存储在段描述符(segmentdescriptor)之中,用以实现从逻辑地址到线性地址的转换。段描述符存储在段描述符表(desriptortable)之中,通常,我们使用段选择符定位段描述符在这个表中的位置。每个逻辑地址由16位的段选择符+32位的偏移量组成。

        逻辑地址转换成线性地址的原理和过程如下:



2.段描述符表


         描述符表的长度可变,每个描述符的长度是8B,最多可以包含8K个这样的描述符(为什么呢?因为段选择子是16位的,其中的13bit用来作index)。有两种描述符表,GDTLDT。结构如下:(fd02





        段描述符表存放在由操作系统维护着的特殊数据结构之中,由处理器的内存管理硬件来引用。虚拟地址空间被分割成大小相等的两半,一半由GDT来映射,一半由LDT来映射。整个虚拟地址空间还有214次方个段,一半是由GDT映射的全局虚拟地址空间,一半是由LDT映射的局部虚拟地址空间。系统发生任务切换的时候,会更新任务的LDT

        每个系统必须定义一个GDT,用于系统中的所有任务和程序。可选择性定义若干个LDTGDT本身不是一个段,而是线性地址空间的一个数据结构;GDT的线性基地址和长度必须加载进GDTR之中。因为段描述符长度是8,所以GDT长度位8n-1.同时,因为每个描述符长度是8,所以GDT的基地址最好进行8字节对齐。

     LDT表存放在LDT类型的段之中,此时GDT必须含有LDT的段描述符。访问LDT需要使用段选择符,为了减少访问LDT时候的段转换次数,LDT的段选择符,段基址,段限长都要放在LDTR寄存器之中。注意:查找GDT在线性地址中的基地址,需要借助GDTR;而查找LDT相应基地址,需要的是GDT中的段描述符。LDT本身是一个段,而GDT不是。

     两外,使用SGDTSIDT指令的时候,需要存储6B的“伪描述符”(baseaddress+limit),此时为了避免对齐检查出错,需要将它放在地址位基数开始的地方。


3.段选择符


        段选择符也称为段选择子,16bit,它指向段描述符表中的段描述符。段选择符的结构如下:


        段选择符示例:其中ad分别表示内核代码段/内核数据段/任务代码段/任务数据段的值,分别是0x00080x00100x000f0x0017.

        

    段选择符通常是作为指针变量的一部分可见,但选择符的值通常是由链接或者加载器设置或者修改,而不是应用程序。(看图)


    从上图中,我们需要注意以下几点:

1)段寄存器只有六个,一个程序可以定义很多段,但只能同时访问六个

2)我们提供隐藏部分,也就是描述符缓冲,来减少对描述符表的引用次数。

3)有缓存,必然涉及到缓存一致性的维护,我们在描述符表中的描述符修改过后立即更新缓存。

4)有两类加载指令可以改变段寄存器的值:MOVpop/lds/les/lss/lgs/lfs)等显示指令和CALLJMP/RET/IRET/INTn/INTO/INT3)等隐式加载指令。


4.段描述符


    4.1段描述符的通用格式



    对这个图的简要解释:

1)段限长:两个字段,一个20b,和G以及E地段决定段限长的实际大小和方向。

2base32b,一般是16字节对齐

3type:指定段或者门的类型,访问种类和扩展方向,对它的解释需要依赖描述符类型标志S。具体解释结果如下:

4)描述符类型标志s

5)描述符特权级DPL

6)段存在标志P

7)默认操作大小/默认栈指针大小/上下界标志D/B

8)颗粒度标志G


4.2代码和数据段描述符类型

    S=1的时候,该描述符用于代码段和数据段,意义如下表所示。


        数据段的描述符,类型字段的低三位可以分别表示已访问(A),可写(W),拓展方向(E

       A位指名自从上次操作系统复位该位之后,一个段是否被访问过。当处理器将一个段选择符加载进入相关寄存器之后,就会置位该位,直到它被明确地清除。可用于虚拟内存管理和调试。

在保护模式下,代码段是不可写的。

       解说:关于一致性代码段和非一致性代码段?


4.3系统描述符类型

    如果段描述符的S标志是0的话,那么该描述符是一个系统段描述符。处理器能够识别以下类型的系统段描述符。

1)局部描述符表的段描述符

2)任务段(TSS)描述符

3)调用门描述符

4)中断门描述符

5)陷阱门描述符

6)任务门描述符

    两大类:系统段描述符和门描述符。它们的具体描述符如下,使用方法见后续的blog


后记:存储管理模型比较繁杂,而且对应具体的硬件和相应的数据结构,需要反复理解和记忆才能弄通,总之在这个过程中,有一个问题一直需要思考:XX是什么?怎么得到它?得到它了以后什么东西会用到它?另外,此处总结操作系统的一条规律:哪里有速度差,哪里就有缓存;哪里有缓存,哪里就有一致性维护。


这篇关于保护模式编程之(一)——分段机制与GDT/LDT的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!


原文地址:
本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.chinasem.cn/article/926077

相关文章

Spring排序机制之接口与注解的使用方法

《Spring排序机制之接口与注解的使用方法》本文介绍了Spring中多种排序机制,包括Ordered接口、PriorityOrdered接口、@Order注解和@Priority注解,提供了详细示例... 目录一、Spring 排序的需求场景二、Spring 中的排序机制1、Ordered 接口2、Pri

MySQL 缓存机制与架构解析(最新推荐)

《MySQL缓存机制与架构解析(最新推荐)》本文详细介绍了MySQL的缓存机制和整体架构,包括一级缓存(InnoDBBufferPool)和二级缓存(QueryCache),文章还探讨了SQL... 目录一、mysql缓存机制概述二、MySQL整体架构三、SQL查询执行全流程四、MySQL 8.0为何移除查

C#多线程编程中导致死锁的常见陷阱和避免方法

《C#多线程编程中导致死锁的常见陷阱和避免方法》在C#多线程编程中,死锁(Deadlock)是一种常见的、令人头疼的错误,死锁通常发生在多个线程试图获取多个资源的锁时,导致相互等待对方释放资源,最终形... 目录引言1. 什么是死锁?死锁的典型条件:2. 导致死锁的常见原因2.1 锁的顺序问题错误示例:不同

一文详解Java Condition的await和signal等待通知机制

《一文详解JavaCondition的await和signal等待通知机制》这篇文章主要为大家详细介绍了JavaCondition的await和signal等待通知机制的相关知识,文中的示例代码讲... 目录1. Condition的核心方法2. 使用场景与优势3. 使用流程与规范基本模板生产者-消费者示例

PyCharm接入DeepSeek实现AI编程的操作流程

《PyCharm接入DeepSeek实现AI编程的操作流程》DeepSeek是一家专注于人工智能技术研发的公司,致力于开发高性能、低成本的AI模型,接下来,我们把DeepSeek接入到PyCharm中... 目录引言效果演示创建API key在PyCharm中下载Continue插件配置Continue引言

一文带你理解Python中import机制与importlib的妙用

《一文带你理解Python中import机制与importlib的妙用》在Python编程的世界里,import语句是开发者最常用的工具之一,它就像一把钥匙,打开了通往各种功能和库的大门,下面就跟随小... 目录一、python import机制概述1.1 import语句的基本用法1.2 模块缓存机制1.

Redis主从/哨兵机制原理分析

《Redis主从/哨兵机制原理分析》本文介绍了Redis的主从复制和哨兵机制,主从复制实现了数据的热备份和负载均衡,而哨兵机制可以监控Redis集群,实现自动故障转移,哨兵机制通过监控、下线、选举和故... 目录一、主从复制1.1 什么是主从复制1.2 主从复制的作用1.3 主从复制原理1.3.1 全量复制

Redis缓存问题与缓存更新机制详解

《Redis缓存问题与缓存更新机制详解》本文主要介绍了缓存问题及其解决方案,包括缓存穿透、缓存击穿、缓存雪崩等问题的成因以及相应的预防和解决方法,同时,还详细探讨了缓存更新机制,包括不同情况下的缓存更... 目录一、缓存问题1.1 缓存穿透1.1.1 问题来源1.1.2 解决方案1.2 缓存击穿1.2.1

Java如何通过反射机制获取数据类对象的属性及方法

《Java如何通过反射机制获取数据类对象的属性及方法》文章介绍了如何使用Java反射机制获取类对象的所有属性及其对应的get、set方法,以及如何通过反射机制实现类对象的实例化,感兴趣的朋友跟随小编一... 目录一、通过反射机制获取类对象的所有属性以及相应的get、set方法1.遍历类对象的所有属性2.获取

MySQL中的锁和MVCC机制解读

《MySQL中的锁和MVCC机制解读》MySQL事务、锁和MVCC机制是确保数据库操作原子性、一致性和隔离性的关键,事务必须遵循ACID原则,锁的类型包括表级锁、行级锁和意向锁,MVCC通过非锁定读和... 目录mysql的锁和MVCC机制事务的概念与ACID特性锁的类型及其工作机制锁的粒度与性能影响多版本