大数据搜索挖掘实验室 (wSMS@BIT) 第二章 微处理器管理模式 张华平 副教授 博士 Email: kevinzhang@bit.edu.cn Website: http://www.nlpir.org/ @ICTCLAS张华平博士 大数据搜索挖掘实验室 (wSMS@BIT)

Presentation on theme: "大数据搜索挖掘实验室 (wSMS@BIT) 第二章 微处理器管理模式 张华平 副教授 博士 Email: kevinzhang@bit.edu.cn Website: http://www.nlpir.org/ @ICTCLAS张华平博士 大数据搜索挖掘实验室 (wSMS@BIT)"— Presentation transcript:

1 大数据搜索挖掘实验室 (wSMS@BIT)
第二章 微处理器管理模式 张华平 副教授 博士 Website: @ICTCLAS张华平博士 大数据搜索挖掘实验室

2 2.1 微处理器基本结构 Intel 80x86系列，从4位计算机发展到32位计算机，微处理器内部结构虽然有些变化，但是大同小异。

3 80386微处理器基本结构

4 1、总线接口部件（Bus Interface Unit，BIU）：与外部环境联系，包括从存储器中预取指令、读写数据，从I/O端口读写数据，以及其他的控制功能。
2、中央处理部件（Central Process Unit，CPU）： 指令部件：完成指令预取和指令译码。 执行部件：执行从已译码指令队列中取出的指令。 3、存储管理部件（MMU）： 分段部件：实现段式存储管理。 分页部件：实现保护模式下的分页模型。

5 2.2 CPU工作模式 从80386开始，Intel的32位CPU具有三种运行模式： 实模式 保护模式 虚拟8086模式
通常所说的保护模式是指80386处理器及以后的处理器所实现的运行模式。

6 实模式（Real mode） 特点： 1、兼容8086，寻址机制、中断处理机制均和8086相同。
2、只使用低20位地址线，寻址空间为220 = 1MB地址空间。 3、采用分段式内存管理，物理地址形成为16位“段首址：偏移”。段最大为216 = 64KB。 4、32位CPU加电或者复位后处于实模式。 中断处理机制见第七章 系统初始化和引导程序都在实模式下运行，是进入保护模式的准备模式。 32位地址总线中只有低20位有效，地址范围00000H~0FFFFFH，使用1MB的内存储器；采用8086的寻址方式来寻址。 故一般称1MB以内的内存称为常规内存（兼容8086的），以上的称为扩展内存。

7 1、初始化程序区：FFFF0H~FFFFFH，存放进入ROM引导程序的一条跳转指令。
5、不支持硬件上的多任务切换。 6、不支持特权级。 实模式下，存储器保留两个专用区： 1、初始化程序区：FFFF0H~FFFFFH，存放进入ROM引导程序的一条跳转指令。 2、中断向量表区：00000H～003FFH，在这1K字节的存储空间中存放256个中断服务程序的入口地址，每个入口地址占4个字节，这与8086的情形相同。 1MB寻址空间都是用户可访问。 在实模式下对一系列的寄存器进行设置，就可以进入保护模式。 不支持硬件上的多任务切换. 不支持特权级，可以执行所有特权指令。 DOS操作系统运行于实模式下，而Windows/Linux操作系统运行于保护模式下。

8 保护模式 特点： 1、支持多任务和特权级 。 2、支持内存分页机制，提供段式和页式内存管理功能。
重点 特点： 1、支持多任务和特权级 。 2、支持内存分页机制，提供段式和页式内存管理功能。 3、物理寻址空间高达232 = 4GB（80386/80486）或236 = 64GB（Pentium及以上CPU）。 从实模式切换到保护模式是通过修改控制寄存器CR0的控制位PE（位0）来实现的。 保护实现任务之间和任务内的保护。

9 4、引入虚拟存储器的概念，以扩充编程者所使用的地址空间，段内偏移地址32位，每个段最大232B=4GB，每个程序最多可以使用16K个段，理论上的虚拟地址空间为4GB×16K=64TB。
5、提供了一系列的保护机制，如任务地址空间的隔离，设置特权级，设置特权指令，进行访问权限(如只读、只执行)及段限检查等。

10 虚拟8086模式 特点： 1、兼容8086程序，又称“V86模式”。
2、V86模式以任务的形式在保护模式上执行。操作系统中有专门的V86管理程序。 3、采用模拟的方法实现特权指令。 既有保护功能又能执行8086代码的工作模式。

11 CPU的3种运行模式以及切换 Reset复位 实模式 中断或异常 保护模式 V86模式 CPU的3种运行模式及其切换 IRETD指令、
修改CR0 LMSW指令、 中断或异常 IRETD指令、 任务转换 LMSW:   Load   Machine   Status   Word     置处理器状态字。但是只有操作数的低4位被存入CR0，只有PE,MP,EM和TS被改写，CR0其他位不受影响。 从实模式切换到保护模式是通过修改控制寄存器CR0的控制位PE（位0）来实现的。 设置CR0的PE位和PG位为0可使系统进入实模式。CR0寄存器PE位置1，可以进入保护模式。P257 PE：指定是保护模式or实模式：0实模式 PG：指定是否允许分页，0：不分页。 CPU的3种运行模式及其切换

12 64位CPU的工作模式 Intel的EM64T技术中包含： 1、IA-32
传统的模式（Legacy Mode），本质上的32位x86时代的IA-32模式。 2、IA-32e 兼容模式 允许64位操作系统运行基于32位和16位代码的程序。 64位模式 EM64T技术中最为高效的模式。要求纯64位环境的支持，包括64位操作系统和64位应用程序。

13 2.3 寄存器 对于编程人员来说，微处理器内部的寄存器可以分为两大类：程序可见的寄存器和程序不可见的寄存器。 本课程主要介绍Intel 8086~Core2微处理器内部寄存器的功能和用途。

14 Intel 8086~Core2（包括64位扩展）的程序设计模型
EBX：extended base index。 RBX：I think it's just R for "register", since there are additional registers R8 - R15 on x86-64, and R is a common prefix on many CPU architectures where registers are numbered. Intel 8086~Core2（包括64位扩展）的程序设计模型

15 Intel 8086~Core2的程序设计模型 8086，8088和80286使用16位寄存器模型。
其中AX、BX、CX和DX包含两个8位寄存器。 80386~Core2使用6个16位的寄存器（CS，DS，SS，ES，FS和GS）和其他32位的寄存器。 Pentium 4和Core2使用16位的段寄存器以及其他64位寄存器，并且在64位扩展允许的情况下，新增R8~R15寄存器。 EBX：extended base index。 RBX：I think it's just R for "register", since there are additional registers R8 - R15 on x86-64, and R is a common prefix on many CPU architectures where registers are numbered.

16 寄存器 8位寄存器 16位寄存器AX，BX，CX和DX包含两个8位寄存器，可以通过命名访问，赋值时只影响部分值。
AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL 例如：假定初始AX = 2016H，则AH=20H，AL=16H。 若执行指令MOV AL, 0 执行指令后AX= 2000H

17 寄存器 16位寄存器 AX，BX，CX，DX，BP，SI，DI，SP IP，FLAGS CS，DS，ES，SS，FS，GS

18 寄存器 32位寄存器 EAX，EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBP，ESP EIP，EFLAGS
注意：EAX，EBX，ECX和EDX的低16位分别对应AX，BX，CX和DX。32位寄存器只用于80386以上微处理器。

19 寄存器 64位寄存器 RAX，RBX，RCX，RDX，SRI，RDI，RBP，RSP RIP，RFLAGS R8，R9，R10，R11，R12，R13，R14，R15 注意：R8~R15只用于64位扩展允许情况下，可以按照字节（8位）、字（16位）、双字（32位）或者四字（64位）方式寻址。

20 表3-2 R8~R15寄存器访问控制字 注意：8位部分是寄存器最右边的8位。 第8位~第15位不能按照一个字节直接寻址。 寄存器大小 控制字
访问位数 示例 8位 B 7~0 MOV R9B, R10B 16位 W 15~0 MOV R10W, AX 32位 D 31~0 MOV R14D, R15D 64位 —— 63~0 MOV R13， R12

21 表 3‑1 通用寄存器功能 寄存器 常用功能 64位 32位 16位 8位 RAX 累加器，乘法、除法运算等指令的专用寄存器。 EAX AX
AH，AL RBX 保存数据，可用作基址寄存器。 EBX BX BH，BL RCX 保存数据，计数值，80386以上CPU也可用于访问存储器的偏移地址。 ECX CX CH，CL

22 保存数据，乘法、除法运算指令的专用寄存器，80386以上CPU也可用于访问存储器的偏移地址。
表 3‑1 通用寄存器功能（续） RDX 保存数据，乘法、除法运算指令的专用寄存器，80386以上CPU也可用于访问存储器的偏移地址。 EDX DX DH，DL RBP 保存访问存储单元时的偏移地址。 EBP BP 无 RDI 用于寻址串指令的目的操作数。 EDI DI RSI 用于寻址串指令的源的操作数。 ESI SI

23 专用寄存器 RIP（指令指针） 指令指针，指向程序的下一条指令。当微处理器为8086/8088，80286或者工作在实模式下时，这个寄存器取16位IP；80386以及更高型号的微处理，工作于保护模式下时这个寄存器取32位EIP。 RSP（堆栈指针） 堆栈指针，指向栈顶满单元。这个寄存器作为16位寄存器时使用SP；作为32位寄存器时，使用ESP。 注意：程序员不能对RIP/EIP/IP进行直接存取操作。程序中的转移指令、返回指令以及中断处理能对RIP/EIP /IP进行操作。

24 RFlags（标志寄存器) RFlags：用于指示微处理器的状态并控制它的操作。向上兼容，8086~80286使用16位Flags；80386以及以上32位微处理器使用EFlags；64位微处理器使用RFlags。

25 标志寄存器中有效位含义 D0： 进位标志CF（Carry Flag）：当结果的最高位（字节操作时的第7位或字操作时的第15位）产生一个进位或借位，CF＝1，否则CF＝0。在移位或循环移位指令中，会把操作数的最高位（左移时）或最低位（右移时）移入CF中。 D2：奇偶标志PF（Parity Flags）：Intel微处理器中采用奇校验，当执行结果的低8位中二进制形式1的个数为奇数时，PF为0；否则为1。

26 D4：辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）：在字节操作时若低半字节（一个字节的低4位）向高半字节有进位或借位；在字操作时若低位字节向高位字节有进位或借位，则AF＝1，否则AF＝0。这个标志用于十进制算术运算指令中，即通过二进制数运算调整为十进制数表示的结果。 D6：零标志（Zero Flag）：当运算结果为零时，ZF为1；否则为0。

27 D7：符号标志SF（Sign Flag）：它与运算结果的最高位相同。对字节操作（8位运算）来说，是结果的第7位；对字操作（16位运算）来说，是结果的第15位。当SF＝0时，结果为正数或0；当SF＝1时，结果为负数。 D8：单步标志TF（Trap Enable Flag）：当TF=1时，CPU进入单步方式，在每条指令执行以后产生一个内部中断（单步中断）。当TF＝0时，CPU执行指令后不产生单步中断。

28 D9：中断允许标志（Interrupt Enable Flag）：当IF=1时，允许CPU接收外部中断请求，否则屏蔽外部中断请求。
D10：方向标志DF（Direction Flag）：在字符串操作指令中，当DF=0时，串操作为自动增址；当DF=1时，串操作为自动减址。STD指令置位DF，CLD指令清除DF。 D11：溢出标志OF（Overflow Flag）：有符号数运算时，当其运算结果超出了表达的范围时，OF=1，否则OF＝0。

29 状态标志寄存器举例： 运算后 CF PF OF AF ZF SF CF=0 PF=1 OF=1 AF=1 ZF=0 SF=1

30 80386新增的四个标志 D13 D12：I/O特权级IOPL占2位，取值为0、1、2、3对应四个特权级。只有特权级高于IOPL的程序才能够执行I/O指令，否则会产生异常13，并将任务挂起。 D14：NT（Nest Task）：嵌套任务位，此位只用于保护模式，如果保护模式下当前的任务嵌套在其他任务中，此位为1，否则为0。

31 D15：RF（Resume Flag）：与程序调试有关的一个控制位，在程序调试时使用。
D17：VM（Virtual 8086 Mode Flag）：V86模式位，=1时，表示当前CPU正工作在V86模式下；=0，表示当前CPU工作在实模式或保护模式下。VM位只能在保护方式中由IRET指令置位（如果当前特权级为0），以及在任意特权级上通过任务切换而置位。

32 Pentium新增的四个标志 D18：AC（Alignment Check）：地址对齐检查位，当寻址一个字或者双字时，当地址不在字或者双字的边界上，此时AC=1，否则AC=0。80486以上微处理器支持这个标志。 D19：VIF（Virtual Interrupt）：虚拟中断标志，与VIP一起使用，在虚拟方式下提供中断允许标志位IF的副本(copy)。只有Pentium~Pentium 4处理器才有。

33 D21：ID（Identification）微处理器标识标志，用来指示Pentium~Pentium 4处理器，支持CPUID指令。
D20：VIP（Virtual Interrupt Pending）：虚拟中断挂起标志，为Pentium~Pentium 4处理器提供有关虚拟模式中断的信息，它用于多任务环境下，为操作系统提供虚拟中断标志和中断挂起信息。 D21：ID（Identification）微处理器标识标志，用来指示Pentium~Pentium 4处理器，支持CPUID指令。 CPUID指令是Intel IA32架构下获得CPU信息的汇编指令，可以得到CPU类型，型号，制造商信息，商标信息，序列号，缓存等一系列CPU相关的东西。

34 段寄存器 16位微处理器4个16位段寄存器： CS, DS, SS, ES
32位和64位微处理器6个16位段寄存器：CS, DS, SS, ES, FS, GS 段寄存器用来和微处理器中的其他寄存器组合生成存储器地址，其功能在不同模式下不同。

35 不同模式下的段寄存器含义 在实模式和V86模式下，兼容16位CPU，段寄存器内保存的是20位段首址的高16位，段首址的低4位为0。 在保护模式下，段寄存器中的16位内容是一个段选择符（selector），用于在段描述符表（GDT或LDT）中选择段描述符。每个段描述符含８个字节。通过这个描述符中的段基址再加上偏移地址，就组成了线性地址。

36 CS：Code Segment，代码段寄存器
代码段是存放代码（程序，包括过程）的一段存储区。 在实地址方式下，定义了一段64KB存储区的起始地址。 在保护方式下，用来检索一个描述符，该描述符用来描述一个代码段的若干特性——起始地址、段限以及访问权等。 最大段限在8086及80286中为216=64KB，而在80386及其以上的32位微处理器中则为232=4GB。64位模式下，代码段寄存器仍用于平展模式，但用法不同。

37 DS：Data Segment，数据段寄存器
数据段存放供程序使用的数据的一段存储区 数据段中的数据按其给定的偏移地址值offset（或称有效地址EA，Effective Address）来访问。 数据段的长度规定同代码段。 64位平展模式中不用。

38 SS：Stack Segment，堆栈段寄存器
堆栈段是一段用作堆栈的存储区。 堆栈段现行的入口地址由堆栈指针RSP（或ESP、SP）决定。 RBP（或EBP、SP）也可寻址堆栈段中的数据。 ES：Extra Segment，附加段寄存器 附加段是一段附加的数据段，通常供串操作类指令用于存放目的串数据。 FS、GS 80386以上的微处理器（含80386）有两个新增的附加的段存储区。Windows将这些段寄存器用于内部操作没有说明其使用方法。

39 80386以后新增的寄存器 1、控制寄存器 2、调试和测试寄存器 3、全局描述符表寄存器 4、中断描述符表寄存器 5、局部描述符表寄存器
6、任务寄存器 注：其他更高级的处理器与80386微处理器本质上相同。

40 80386微处理器的控制寄存器结构 CRx 31 30 ~12 11~5 CR0 PG CR1 保留未用 CR2 页故障线性地址 CR3
4 3 2 1 CR0 PG ET TS EM MP PE CR1 保留未用 CR2 页故障线性地址 CR3 页目录基址

41 CR0内容机器状态字的含义 PE（Protection Mode Enable）：保护模式允许标志。=0为实模式，CPU复位（启动）时自动进入实模式；=1为保护模式。可以通过软件设置PE进入或退出保护模式。 MP（Monitor Coprocessor Extension）：运算协处理器存在位。=1表示系统中有协处理器。

42 EM（Emulate Processor Extension）：仿真位。=1时，可以利用7号中断，用软件来仿真协处理器的功能；=0时用硬件控制浮点指令。
TS（Task Switched）：任务切换标志。=1时表明任务已经切换，在保护模式下，TR的内容改变将自动设置此位为1。 ET（Extension Type）：协处理器选择标志；80386以后的系统中ET位被置为1表示系统中存在协处理器。 PG（Paging Enable）：分页标志。=1时，存储器管理单元允许分页。=0时，分页功能被关闭，此时CR2和CR3寄存器无效。

43 CR2：页面故障线性地址寄存器（Page Fault Linear Address Register），用于发生页异常时报告出错信息。
CR3：页目录基址寄存器PDBR（Page Descriptor Base Register），它的高20位用于保存页目录表的起始物理地址的高20位。

44 调试和测试寄存器 80386提供8个32位的调试寄存器和8个32位的测试寄存器。 调试寄存器在为调试软件错误提供硬件支持。
测试寄存器用户可见的只有TR6、TR7。它们用来测试转换后备缓冲区（Translation Look-aside Buffer，TLB）。

45 全局描述符表寄存器GDTR GDTR （Global Descriptor Table Register）为48位寄存器。
低16位限长+1=全局描述符表的字节大小。 GDTR 基址 限长 GDTR是48位的寄存器。低16位是限长，给出全局描述符表（GDT）的字节大小（其值比GDT的长度少1）； 80286没有FS和GS，以及相应的Cache。 80286的基地址为24位，界限为16位，访问权限8位。 80386~Pentium Pro的基地址32位、界限20位、访问权限12位。

46 GDTR指出GDT在存储器中的位置 1 全局描 述符表 GDT 最大: 64k bytes 8K项 基址 限长 47 16 15 8190
1 全局描 述符表 GDT 最大: 64k bytes 8K项 基址 限长 47 16 15 8190 全局描述符表寄存器) 8191 GDTR中的32位基址是线性 地址，经过分页部件转换为物理地址。

47 全局描述符表GDT 全局描述符表是一种共享系统资源，通常包含操作系统所使用的代码段、数据段和堆栈段的描述符，也包含多种特殊描述符，如LDT描述符。该存储区域可以被所有任务访问，在任务切换时，并不切换GDT。 每个GDT最多含有8192个描述符（8192×8＝64KB）。GDT可以在内存的任意位置，用LGDT把描述符表的起始位置装入GDTR。 GDT可以在内存的任意位置，用LGDT把描述符表的起始位置装入GDTR。

48 例3-1 已知GDTR=0E003F0003FFH，则全局描述符表的基址是多少？这个全局描述符表有多大，里面有多少个描述符？ 解答：
GDT的地址为0E003F00H， 长度为3FFH+1=400H。 可容纳400H/8=80H个段描述符。

49 中断描述符表寄存器IDTR IDTR （Interrupt Descriptor Table Register），是48位的寄存器。其最低16位是限长，给出中断描述符表IDT的字节大小（即限长+1）；其高32位是基址，指出IDT在物理存储器中存放的基地址。 基址 限长 IDTR 同GDTR一样，中断描述符表寄存器IDTR也在存储器中定义了一个表，该表称为中断描述符表IDT。IDT中保存的不是段描述符，而是中断门描述符。每个门描述符也包含8字节，IDT最多包含256个门描述符，因为CPU最多支持256个中断。中断门指出的是中断服务程序的入口。

50 中断描述符表IDT IDT中保存的是中断门描述符。每个门描述符包含8字节，IDT最多包含256个门描述符，因为CPU最多支持256个中断。
保护模式下的中断描述符表的功能，类似于实模式下的中断向量表。但IDT的位置可变，由相应的描述符说明，而实模式下的中断向量表的地址是固定的，必须在物理地址00000H处。 IDT最大长度是2KB. IDT功能类似于实模式下的中断向量表，不过IDT位置可变由IDTR给出，实模式下固定在00000H 1k空间处。 IDT和GDT必须在进入保护模式之前装入

51 例题3-2 已知IDTR=0E003F40007FFH，求IDT的地址和长度。这个IDT中有多少个中断门描述符？
则IDT的地址为0E003F400H， 长度为7FFH+1=800H。 其中可容纳800H/8=100H个中断门描述符。 注意：GDTR和IDTR的值必须在进入保护模式之前装入。在实模式下，可以执行LGDT和LIDT指令设置GDTR和IDTR。

52 局部描述符表LDT LDT（Local Descriptor Table Register）定义的是某项任务用到的局部存储器地址空间。
多任务环境下由于每项任务都有自己的LDT（且每项任务最多只能有一个LDT），因此保护模式下可以有多个LDT。 LDT由LDTR（局部描述符表寄存器）确定。LDTR为16位的选择符。 多任务环境下每个任务都有一个LDTR。。

53 LDTR寄存器确定LDT的位置和限长的过程
① ② ③ ④ ⑤ LDTR GDTR LDT GDT ①和②步由GDTR确定了GDT表在存储器中的位置和限长。LDTR中是一个选择符，它包含了LDT描述符在GDT中的索引。③步是依据LDTR在GDT中取出LDT描述符的过程。在LDT描述符中，包含由LDT的位置和限长，即④和⑤步。

54 假定LDT的基址为00120000H，GDT基址为00100000H。如果装入CS寄存器的选择符为1007H，那么请求特权级是多少？段描述符地址是多少？描述符在GDT还是LDT里面获得？

55 （CS）= b 最右边两位为1则RPL=3 TI=1表示段描述符在LDT中。 偏移量为高13位乘以8得到相对于表基址的偏移量。 偏移量= b × 8=512 × 8=4096=1000H 段描述符地址为 H+1000H= H

56 任务寄存器TR 任务寄存器TR （Task Register），在保护模式的任务切换机制中使用，TR中内容为16位选择符。
TR的作用是选中TSS描述符。每一个任务都有一个任务状态段TSS，由TSS描述符描述。从GDT中检索出TSS描述符后，微处理器自动将TSS描述符装入TSS Cache中。 TR的初值由软件装入，当执行任务切换指令时TR的内容自动修改。 TSS一定在GDT中

57 例题 3‑3 假定全局描述符表的基址为00011000H，TR为2108H，问TSS描述符的起始范围是多少？
解答：TSS起始地址= H+2108H= H 由于描述符为8字节，故TSS终止位置为 H+7H= FH

58 由TR取得TSS的过程

59 选择符格式 Index TI RPL 选择符 RPL（Requestor Privilege Level）： 请求特权级，2位二进制数字，范围为0～3。00代表特权级0，01代表特权级1，10代表特权级2，11代表特权级3。 请求特权级是将要访问的段的特权级。 TI（Table Indicator）：表指示符。为0时，从GDT中选择描述符；为1时，从LDT中选择描述符。 Index：索引。指出要访问描述符在段描述符表中的顺序号，Index占13位。因此，顺序号的范围是0～8191。每个段描述符表（GDT或LDT）中最多有8192=213个描述符。 LDT面向任务，因此不需要直接指出位置和大小。

60 由选择符确定一个描述符

61 已知DS=0023H，问该数据段的请求特权级和索引值。
解答 DS = b， 故：Index= b=4，TI=0，RPL=11b=3。 因此请求特权级为3，索引值为4。

62 2.4 内存管理---存储器分段管理 IBM PC机的存储器采用分段管理的方法。存储器采用分段管理后，一个内存单元地址要用段基地址和偏移量两个逻辑地址来描述，表示为段基址:偏移量，其段基址和偏移量的限定、物理地址的形成视CPU工作模式决定。 63

63 内存管理---实模式存储器寻址[1] 3种工作模式 实模式：微处理器只可以寻址最低的1M字节。 保护模式：寻址4GB
虚拟86模式：寻址类似于8086 64

64 2.4.1 实模式分段管理 对段基址的限定： 只要工作在实模式，段基址必须定位在地址为16的整数倍上，这种段起始边界通常称做节或小段。 对段长的限定： 在实模式下段长不能超过64K。 65

65 2.4.1 实模式分段管理 存储器采用分段管理后，其物理地址的计算方法为： 10H×段基址＋偏移量 简便的计算方法：因为段基址和偏移量一般用十六进制数表示，直接在段基址的最低位补以0H，再加上偏移量。 66

66 例．某内存单元的地址用十六进制数表示为1234:5678，则其物理地址为 12340H＋5678H＝179B8H。
实模式存储器寻址示例 例．某内存单元的地址用十六进制数表示为1234:5678，则其物理地址为 12340H＋5678H＝179B8H。 67

67 (16H×段基址) ＋ (偏移量) B (物理地址) 图2-5 物理地址的形成 68

68 程序执行时，其当前段的段基址放在相应的段寄存器中，偏移量视访问内存的操作类型决定，其规律如下页表所示。
实模式寻址约定规则 程序执行时，其当前段的段基址放在相应的段寄存器中，偏移量视访问内存的操作类型决定，其规律如下页表所示。 69

69 操作类型 约定段 寄存器 偏移量 CS 无 IP SS SP DS ES、SS、CS EA SI ES DI DS、ES、CS
约定段 寄存器 允许指定的段寄存器 偏移量 1． 指令 CS 无 IP 2． 堆栈操作 SS SP 3． 普通变量 DS ES、SS、CS EA 4． 字符串指令 的源串地址 SI 5． 字符串指令 的目标串地址 ES DI 6．BP用作基址 寄存器 DS、ES、CS 70

70 2.4.2 保护模式下分段管理 在保护模式下，其内存管理既可以使用分段机制访问多达4 GB（386/486）或64 GB（Pentium）的内存空间，也可以使用分页机制访问多达16 TB的虚拟存储器。总之，保护模式打破了实模式只允许访问装在内存第一个1 MB之内的程序和数据的限制。 71

71 描述符 描述符是用以管理64TB虚拟存储地址空间分段的基本元素。一个描述符对应虚拟地址空间中的一个存储段。
描述符包括段描述符、系统段描述符、局部描述符、调用门描述符、任务状态段描述符，以及任务门描述符等。

72 段描述符 段描述符用于描述代码段、数据段和堆栈段。 段描述符位于GDT或LDT中，占8字节，由以下几个部分组成：段基址（32位）、限长（20位）、访问权限（8位）和属性（4位）。

73 段描述符 D7 D0 段界限 7~0 段界限 15~8 基址 7~0 基址 15~8 基址 23~16 基址 31~24 TYPE S
AVL DPL P G D/B 段界限 19~16 1 2 3 4 5 6 7

74 非系统段（代码段、数据段、堆栈段）的格式：
段描述符第5字节访问权限， 非系统段（代码段、数据段、堆栈段）的格式： A W R ED C E=0 E=1 S=1 DPL P D D0 存在位 1：装入内存 0：不在内存 特权位 S=1是非系统段：数据段或者代码段 S=0是系统段描述符 代码段标志 数据段或者堆栈段标志 一致位 0：非一致 1：一致 可读位 访问位 扩展方向位 1：向下扩展 0：向上扩展 可写位 P=1时表示装入内存，=0表示，不在内存，访问不在内存的段时会引起异常。OS将某个段从内存交换到磁盘时，设置此位为0。当启用页功能的情况下，即使P=1，所描述的段也不一定在物理存储中。P=1，a=0表示在存储器中，没有被访问，可以被替换。 S=1 E=0时为数据段，S=1，E=1时为代码段 扩展方向位：1：高地址向低地址扩展，偏移量大于段长。0：低地址向高地址扩展，偏移量小于段长，段长指上限。 根据段类型中的段扩展方向标志E，处理器以两种不同方式使用段限长Limit。对于向上扩展的段（简称上扩段），逻辑地址中的偏移值范围可以从0到段限长 值Limit。大于段限长Limit的偏移值将产生一般保护性异常。对于向下扩展的段（简称下扩段），段限长Limit的含义相反。根据默认栈指针大小标 志B的设置，偏移值范围可从段限长Limit到0xFFFFFFFF或0xFFFF。而小于段限长Limit的偏移值将产生一般保护性异常。对于下扩段， 减小段限长字段中的值会在该段地址空间底部分配新的内存，而不是在顶部分配。80x86的栈总是向下扩展的，因此这种实现方式很适合扩展堆栈。 一致与非一致代码段的设置原则 系统要保证安全，所以内核要和用户程序分开，内核一定要安全，不能被用户程序干涉，有时用户程序需要访问内核数据，于是OS将内核程序开辟一些可以供用户程序访问的段，但是不允许用户程序写入数据。 1、内核不用知道用户程序的数据，内核不用调用用户程序的数据，内核不用转移到用户程序中来 2、用户程序只能访问到内核的某些共享的段，我们称这些段为一致代码段 3、用户程序不能访问内核不共享的段 一致与非一致代码段的访问原则 对于一致代码段： 1、特权级高的程序不允许访问特权级低的数据(CPL>=DPL)，即，核心态不允许调用用户态的数据 2、特权级低的程序可以访问到特权级高的数据(如访问内核某些共享的数据段)，但特权级CPL不会改变，即，用户态还是用户态 对于非一致代码段： 1、只允许同级访问(CPL=DPL) 2、绝对禁止不同级访问：核心态不使用用户态，用户态也不使用核心态 一致与非一致代码段的判断 一致位：在描述符属性中TYPE(包含4个二进制位)字段的第2位。 当 S=1 时TYPE中的4个二进制位情况：      3       2       1       0    执行位 一致位 读写位 访问位 执行位：置1时表示可执行，置0时表示不可执行； 一致位：置1时表示一致码段，置0时表示非一致码段； 读写位：置1时表示可读可写，置0时表示只读； 访问位：置1时表示已访问，置0时表示未访问。     所以一致代码段和非一致代码段的意思就是指这个一致位是否置1，置1就是一致代码段，置0就为非一致代码段。

75 段描述符中的第6字节：四位属性 AVL G D/B 段界限 19~16 用户/操作系统可用位 D/B位，系统段不用这位
D D0 AVL G D/B 段界限 19~16 用户/操作系统可用位 D/B位，系统段不用这位 粒度位 ，=1以页为单位，=0以字节为单位 D/B位 代码段(D位) D=1 使用32位操作系统和32位寻址方式 D=0 使用16位操作系统和16位寻址方式 数据段(B位) B=1 堆栈使用ESP寄存器，上限为FFFFFFFFH B=0 堆栈使用SP寄存器，上限为FFFFH 以页为单位，限长为20位。1页=4KB，1个段最长为1M*4KB=4GB。以字节为单位，1个段最长为1MB字节。

76 已知Windows XP中各段寄存器及段描述符的值如下，分析CS对应的段描述符属性。
CS=001B DS=0023 ES=0023 SS=0023 FS=0030 GS=0000 GDTbase=E003F000 Limit=03FF E003F FF FF B CF 00 E003F010 FF FF CF 00-FF FF FB CF 00 E003F020 FF FF F3 CF 00-AB B 00 80 E003F F0 DF 93 C0 FF-FF 0F F E003F040 FF FF F

77 选择符 类型 段基址 结束地址 DPL 0008 Code FFFFFFFF P RE 0010 Data FFFFFFFF P RW 001B Code FFFFFFFF P RE 0023 Data FFFFFFFF P RW 0028 TSS AB P B 0030 Data32 FFDFF FFF P RW 003B Data FFF P RW 0043 Data FFFF P RW 0048 Reserved NP

78 FF 11111111B +0 限长（位7-0） FF 11111111B +1 限长（位15-8）
内容 二进制 FF B +0 限长（位7-0） FF B +1 限长（位15-8） B +2 段基址（位7-0） B +3 段基址（位15-8） B +4 段基址（位23-16） FB B +5 P DPL S TYPE A CF B +6 G D 0 AVL 限长（位19-16） B +7 段基址（位31-24）

79 分析CS段描述符得： 段基址（位31～0）= H 限长（位19～0）=FFFFFH G=1，限长是以页为单位的，段的大小为（FFFFFH+1）×212=100000H×212=232=4GB。段的基址为 H，长度为4GB，其线性地址范围为 H～FFFFFFFFH。

80 其他的各个位解释如下： D=1，因此这是一个32位的段。 AVL=0。 P=1，这个段在内存中。 DPL=112=316，段的特权级为3。 S=1，这不是一个系统段，而是一个代码、数据段或堆栈段。 E=1，这是一个代码段（可执行）。 C=0，这不是一个一致代码段。因为E=1，这一位是C；若E=0，这一位代表ED。 R=1，可以对这个段进行读操作。因为E=1，这一位是R；若E=0，这一位代表W。

81 段描述符高速缓存 为了提高CPU的运行效率在CPU内部设置了段描述高速缓存，这些缓存不可见，自动装入段描述符。段描述符高速缓冲的内容和6个段描述符寄存器索引的描述符当前值保持一致。用户不可见。 在内存读写操作中，CPU首先要计算线性地址，这就需要取得段描述符中的基地址，再加上偏移量。接下来，CPU还需要根据段描述符中的属性来确定操作的合法性。 例如，程序要向一个只读段写入数据，CPU不能执行这个写入操作，而且要产生一个异常。另外，如果指定的内存操作数偏移量超过了段限长所规定的范围，也要产生一个异常。因此，在读写内存单元时，CPU需要检查段描述符的内容是否和当前操作相一致。如果每一次都需要到内存中去读取段描述符，那么CPU的运行效率就会极大地降低。为解决这个问题，CPU在内部设置了段描述符高速缓存。

82 32位CPU系统中三者的转换 CPU的分段部件将虚拟地址转换为线性地址。

83 2.4.3 页式内存管理 保护模式下的CPU支持分页机制，并且分页管理是在分段管理机制的基础上工作，它将分段管理机制得到的线性地址转换为物理地址。 使用分页机制的好处在于，它可以把每个活动任务当前所必需的少量页面放在内存中，而不必将整个段调入内存，从而提高了内存的使用效率。 CR0控制寄存器中的pg位=1，CR3页目录基址，CR2页故障线性地址

84 分页 每一个任务都有它自己的线性地址空间。分页管理时所有页的长度固定，页与页之间也没有重叠。 假定页面大小为4KB，则32位CPU将4GB的线性地址空间划分成220页。固定长度的页可能会产生碎片，会浪费一些内存空间。

85 分页机制下线性地址转换为物理地址的过程 分页机制就是一种将线性地址的页面映射到物理地址页面的手段，也就是从线性地址到物理地址的转换过程。分页机制中用到了两个表：页表目录表和页表。

86 其中第1项是对页目录（Page Directory）的索引，第2项是对页表（Page Tables）的索引，第3项是线性地址在页面内的偏移。
32位线性地址被划分为3个部分： 页目录索引 页表索引 字节索引 其中第1项是对页目录（Page Directory）的索引，第2项是对页表（Page Tables）的索引，第3项是线性地址在页面内的偏移。 10位 10位 12位

87 线性地址转换为物理地址的过程 Linear Address从何而来？
①页目录的地址由CR3的最高20位决定，CR3又被称做页目录基址寄存器PDBR（Page Descriptor Base Register），CR3的低12位＝000H。页目录的大小为4KB，由1024个页表描述符组成，每个页表描述符占4个字节。 ②线性地址中高10位为页目录索引，页目录基地址加上页目录索引乘以4获得的地址指向页目录表中一个页表描述符。 ③页表描述符的高20位给出了页表的基地址。页表同样占4KB，由1024个页描述符组成，每个页描述符占4字节。 ④线性地址中的页表索引（10位），指示了被访问的页在页表中的序号。根据页表基地址加上10位页表索引乘以4指向页表中的一个页描述符。 ⑤页描述符的高20位给出了物理页面的基地址的高位20位。 ⑥物理页面的基地址再加上线性地址中12位字节的页内偏移量，便得到物理地址。 Linear Address从何而来？

88 页表项 页表项就是在分页转换时用到的页表描述符和页描述符，都是32位，页表项格式如图。 针对应用程序 0:读 1:可读写 存在位. 1:存在
0:不存在 高20位基地址 AVL D A R/W U/S P 访问p=0的页产生缺页异常,线性地址被保存在CR2中. 3位,由操作系统使用 访问标志 1:访问过 0:没有访问过 0:管理员模式 1:用户模式 1:有写操作 0:没有写操作 只用于页描述符

89 页目录、页表和物理页的基地址的低12位全部为0，定位在页的边界上。
页表项的低12位提供保护功能和统计信息。U/S位、R/W位、P位实现页保护机制，p32。 一个物理页存在两级保护,页表描述符和页描述符属性。当二者不一致的时候取严格属性。 页表描述符的高20位就是页表基地址的高20位；页描述符的高20位就是物理页基地址的高20位。也就是说，对于页表项中的20位基址，如果页表项在页表描述符中，那么指出的是页表的高20位基地址，页表的低12位基地址始终为0；如果页表项在页描述符中，那么指出的就或是物理页的高20位基地址，物理页的低12位基地址始终为0。 举例p33

90 片内转换检测缓冲器TLB 每次内存操作都需要将线性地址转换为物理地址，转换过程中需要访问页目录表和页表来取得页表描述符和页描述符。为了提高转换效率，CPU内部设置了片内转换检测缓冲器TLB（Translation Lookaside Buffer），其中保存了32个页描述符，它们都是最近使用过的。 程序时间局部性.98%以上操作都靠它完成.

91 线性地址转换为物理地址示例P55

92 2.5任务 完成某项功能的多个程序的集合称为任务，系统中至少存在一个任务。
当运行一个应用程序后，操作系统就为这个程序创建一个任务。每个任务都由两个部分组成： 任务执行环境（Task Executation Space） 任务状态段TSS（Task State Segment）。

93 任务执行环境 任务执行环境包括一个代码段、堆栈段和数据段等，任务在每一个特权级上执行时都有一个堆栈段。

94 任务状态段TSS 在多任务环境下，每个任务都有属于自己的任务状态段TSS，TSS中包含启动任务所必需的信息，如用户可访问的寄存器等 。 任务状态段TSS在存储器的基地址和限长由TSS描述符指出。 TSS描述符必须放在全局描述符表GDT中，TR内容为选择符，它指出TSS描述符在GDT中的位置。TSS描述符说明各TSS的位置和限长。

95 TSS描述符格式 7 +0 限长（位7～0） +1 限长（位15～8） +2 段基址（位7～0） +3 段基址（位15～8） +4
+0 限长（位7～0） +1 限长（位15～8） +2 段基址（位7～0） +3 段基址（位15～8） +4 段基址（位23～16） +5 P DPL S=0 1 B +6 G AVL 限长（位19～16） +7 段基址（位31～24） B=0表示386的可用的任务状态段 B=1表示386的忙碌任务状态段

96 TSS基本格式 链接字段 内层堆栈指针区域 寄存器保存区域 TSS的作用，以及各段分析。 地址映射寄存器区域 I/O许可位图

97 门 门（Gate）可以看做是一种转换机构，可以实现不同特权级别之间的控制传送。 门的类型有4种：
调用门：用于控制传送，来改变任务或程序的特权级别。 任务门：执行任务切换。 中断门和陷阱门：用来指出中断服务程序的入口地址。 除存储段描述符和系统段描述符外，还有一类门描述符。门描述符并不描述某种内存段，而是描述控制转移的入口点。这种描述符好比一个同向另一代码段的门。通过这种门，可实现任务内特权级的变换和任务间的切换。所以，这种门描述符也称为控制门。 中断门和陷阱门放到中断系统章节讲，本章只讨论前两种。

98 门描述符 门描述符描述控制转移的入口点，属于系统描述符。 系统描述符中，S位设置为0，而段描述符中S位为1，以此来区分系统描述符和段描述符。

99 调用门 1、系统描述符类型为4或者C时表示调用门。 2、调用门描述某个子程序的入口。调用门内的选择符必须实现代码段描述符，调用门内的偏移是对应代码段内的偏移。 3、利用段间调用指令CALL，通过调用门可实现任务内从低特权级变换到高特权级。 4、如果在利用调用门调用子程序时引起特权级的转换和堆栈的改变，那么就需要将低特权级堆栈中的参数复制到高特权级堆栈。复制的参数个数由调用门描述符中的参数计数值给出。

100 通过调用门进行段间调用 这里Y值没有用到。
调用指令“CALL X:Y”指令中虚拟地址X：Y，其中X是一个选择符，由它指向了一个调用门描述符（第①步），而Y的值不起作用。调用门描述符中的选择符指向了一个段描述符（第②步），段描述符指出了被调用段的段基址（第③步），而入口点的偏移量就是门描述符中的偏移量（第④步），决定了调用哪一个代码段以及子程序在代码段中的偏移。这种形式的CALL指令可以通过调用门转移到更高的特权级，在更高的特权级下执行所调用的子程序，子程序执行完毕后，由RET指令返回CALL指令所在的较低级别的程序。 这里Y值没有用到。

101 任务门 任务门指示任务。任务门内的选择子必须指示GDT中的任务状态段TSS描述符，门中的偏移无意义。任务的入口点保存在TSS中。
通过任务门可实现任务切换。

102 中断门和陷阱门 1、中断门和陷阱门描述中断/异常处理程序的入口点。
2、中断门和陷阱门内的选择符必须指向代码段描述符，门内的偏移就是对应代码段的入口点的偏移。 3、中断门和陷阱门只有在中断描述符表IDT中才有效。 中断门和陷阱门的详细内容将在第7章7.3.1中介绍。

103 门描述符与段选择符关系 EIP 说明：利用段选择符的bit2确定查询GDT或LDT。 段选择符指向一个段描述符。
偏移 属性 选择符 IDTR IDT 边界 基地址 GDT/LDT 线性地址 中断服务子程序 代码段 EIP 门描述符 段选择符 或TSS选择符 段描述符 说明：利用段选择符的bit2确定查询GDT或LDT。 段选择符指向一个段描述符。 对任务门而言，选择符为TSS选择符。 任务的切换：通过直接改变TR方式， 或通过任务门间接方式实现。

104 任务切换的四种情况 1、执行远程JMP或者CALL指令，选择了GDT中的TSS描述符。 2、执行远程JMP或者CALL指令，从GDT或者LDT中选择了任务门。 3、发生了中断或异常，中断向量选择了IDT中的任务门。 4、当FLAGs中的NT=1时，执行IRET指令，目的任务选择符在执行IRET任务的TSS链接域中。

105 任务切换的两种方式 1、直接任务切换 在JMP/CALL X:Y指令中，X是一个段选择符，指向一个可用的TSS描述符。 2、间接任务切换

106 任务切换过程 如果转移或调用指令将任务状态选择符作为操作数，那么任务进行直接切换。间接切换使用任务门，这是一种将控制传给RPL比CPL高的任务切换方法。 1.直接任务切换 段间跳转指令JMP X:Y或段间调用指令CALL X:Y可以用来执行任务切换。在中断/异常或者执行IRET指令时也可能发生任务切换。 X为16位段选择符，y为32位偏移。 任务切换过程分为直接切换和间接切换两种。直接切换在JMP、Call指令中直接引用TSS选择符，而间接切换则需要使用任务门。 如图８．３８下面所示。指令执行时，选择符被装入ＴＲ，之后ＴＲ指向的ＴＳＳ描述符被装入缓存。装入前需进行检查：Ｐ＝１，Ｂ＝０，ＤＰＬ＜＝ＣＰＬ。由ＴＳＳ描述符指出新任务的任务状态段ＴＳＳ，而旧的任务被挂起。这导致ＥＦＬＡＧＳ中的ＮＴ＝１（任务嵌套），旧任务的寄存器和状态被保存到旧的ＴＳＳ中，新任务描述符中Ｂ位置１。旧ＴＳＳ的选择符被保存在新的ＴＳＳ中，作为任务返回的链接信息。任务切换结束后，ＭＰＵ将新ＴＳＳ中提供的ＣＳ：ＥＩＰ作为入口，执行任务。 新任务结束时，执行返回指令，那么返回链接选择符被自动装入ＴＲ，从而激活了旧的ＴＳＳ，实现任务返回。

107 直接任务切换 先由指令中的X段描述符查全局描述符表，获得TSS描述符；TSS描述符提供新任务状态段的基地址和限长等参数。

108 访问TSS的规则 TSS段描述符的DPL（DPLTSS）规定了访问该描述符的最低特权级，只有在相同级别或更高级别的程序中才可以访问它，即：DPLTSS≥MAX（CPL, RPL），RPL是X的最后2位。

109 间接任务切换 当CPL＞DPLTSS时，就不能采用任务的直接切换，必须通过任务门进行任务的切换。 JMP和CALL指令中包含的是任务门选择符。选择符指向的是任务门描述符，门中的TSS选择符指向新任务的TSS描述符，激活新的TSS，启动新的任务。 低特权级访问高特权级

110 间接任务切换

111 访问任务门规则 任务门的DPL（DPLGATE）规定了访问该任务门的最低特权级，只有在同级或更高级别的程序中才可以访问它。即DPLGATE≥MAX（CPL, RPL），RPL是任务门选择符X的最后2位。

112 任务A切换到任务B的步骤 把寄存器现场保存到当前任务的TSS（任务A的TSS）。
把指示目标任务（任务B）TSS的选择符装入TR寄存器中，同时把对应TSS的描述符装入TR的高速缓冲寄存器中。 恢复当前任务（任务B）的寄存器现场。只装入选择符，P位为0。 进行链接处理。JMP指令引起的切换不需要链接处理，CALL指令需要。 任务切换前进行特权级检查；是否存在内存和限长检查；更新TR，并保存旧的TSS动态部分；加载TR，使新任务B=1，加载任务中各种寄存器内容，当CR0中TS被置位时表示任务切换完毕。

113 把CR0中的TS标志置为1，这表示已发生过任务切换。
把TSS中的CS选择符的RPL作为当前任务特权级，设置为CPL。 装载LDTR寄存器。 装载代码段寄存器CS、堆栈段寄存器SS和各数据段寄存器及其高速缓冲寄存器。 注意：任务切换不能递归。

114 TSS中堆栈指针的使用 只有特权级别发生变化时才切换堆栈。 TSS中包含有指向0级、1级和2级堆栈的指针。 使用CALL指令通过调用门向高特权级转移。 使用RET指令实现向低特权级转移。

115 在特权级提升时，根据新的特权级使用TSS中相应的堆栈指针对SS及ESP寄存器进行初始化，建立起一个空栈。再把低特权级程序的SS及ESP寄存器的值压入堆栈，以使得相应的返回指令可恢复原来的堆栈。然后，从低特权级堆栈复制以双字为单位的调用参数到高特权级堆栈中，调用门中的CNT字段值决定了参数的个数。这些被复制的参数是主程序通过堆栈传递给子程序的。通过复制栈中的参数，使高特权级的子程序可以访问主程序传递过来的参数。最后，调用的返回地址（低特权级程序的CS及EIP寄存器）被压入堆栈，以便在调用结束时返回。

116 2.6 保护 主要包含以下三个方面： 数据访问的保护 对程序的保护 对输入输出的保护

117 数据访问的保护 为段寄存器赋值时的检查 保护模式下程序要访问某一个段时，都要完成类型、限长和特权级三种形式的检查。 1、类型检查：检查段描述符的段类型是否与目标一致，例如装入CS时，段描述符中的E位必须为1，标记为可执行的段；装入DS、SS等寄存器时，E位必须为0；只有可写的数据段选择符才能够被加载到SS寄存器中等。  即对存储器的保护

118 2、限长、类型和属性检查 除此之外，CPU还进行其他属性检查，如数据访问时，当前段描述符P=1表示在物理存储器中，能正常操作；如果P=0，表示数据不在物理存储器中，CPU会引发一个异常，由操作系统程序进行处理。

119 CPL是当前正在运行的程序的特权级（CS）。 DPL是描述符特权级，它表明了什么样的特权级程序可以使用这个段。
3、特权级检查 CPU在给段寄存器赋值时，要根据CPL、DPL、RPL来检查特权级是否满足要求：DPL ≥ MAX(CPL, RPL)，即程序只能访问特权级相同或者较低的数据。 其中： CPL是当前正在运行的程序的特权级（CS）。 DPL是描述符特权级，它表明了什么样的特权级程序可以使用这个段。 RPL是请求特权级。表明程序将以什么样的特权级来访问这个段。 P45举例

120 特权级检查示意图 特权级检查，通过特权级检查，处理器能决定是否允许当前程序访问这个段。CPU在加载段选择符入寄存器时检查特权级，主要包括CPL、DPL、RPL。它们的含义如下： CPL（Current Privilege Level）是当前正在运行程序的特权级。CPL是CS段寄存器的最低2位。如CS=001BH，则CPL等于3；CS=0000H，则CPL等于0。在任何时候，CPU总在某一个特权级上运行。 DPL（Descriptor Privilege Level）是描述符特权级，位于段描述符中。它规定了可以访问此段的最低特权级，只有相同级别或更高级别的程序中才可以访问它。 RPL（Requestor Privilege Level）是请求特权级，是要赋给段寄存器的16位数字的最低2位。它表明了程序“要求”以什么样的特权级来访问这个段，RPL一般用来指出一个选择符创建者的特权。如在“MOV DS, AX”的例子中，AX的最低2位就是RPL。如果RPL>CPL，那么当前程序就降级来与RPL匹配。 在给段寄存器赋值时，CPU要根据CPL、DPL、RPL来检查特权级是否满足要求：DPL ≥ MAX(CPL, RPL)，即程序只能访问特权级相同或者较低的数据。这里≥和MAX操作都是按照数字的大小来进行的。数字越大，表示特权级越低。

121 数据段保护示例3-11 如图：数据段D的段描述符中，DPL=2。在特权级3下运行的代码段A中的程序，要想访问数据段D，使用段选择符D1，D1对应数据段D的描述符。D1的RPL=3（程序也可设置其RPL为0、1或2），由于DPL≥MAX（CPL, RPL）的条件不能满足，所以代码段A中的程序不能访问数据段D。而特权级1和2上的代码段B和C则可以访问这个数据段。这里，如果设置段选择符D3的RPL=3，则代码段C也不能访问数据段E。

122 对程序的保护 CPU还利用特权级实现对程序执行的控制。 根据控制转移方式的不同分为： 直接转移的保护 间接转移的保护

123 直接转移的保护 1）同一代码段内转移时，只需要检查限长。 2）段间调用或跳转，需要检查限长，特权级CPL和DPL。
CPL>DPL，此时要检查段描述符的C位。如果C位为1，表示这是一致代码段,允许跳转和调用。

124 代码段D不是一致代码段（C=0），只能由特权级相同的程序来调用或跳转。特权级较高的代码段C和特权级较低的代码段A都不能调用代码段D。C=0时，还要求RPL ≤ CPL。

125 代码段E是一致代码段（C=1），可以由特权级相同或更低的程序来调用或跳转。特权级较高的代码段C不能调用代码段E。而特权级相同的代码段B和特权级更低的代码段A可以转移到代码段E上，转移后特权级CPL不变。

126 间接转移的保护 特权检查时要检查以下几个要素： 当前特权级CPL，即JMP或CALL指令所在的程序的特权级；
请求特权级RPL，即选择符X的最低2位； DPLGATE，即门描述符的DPL； DPLCODE，即目标代码段描述符的DPL； CCODE，即目标代码段描述符的C位（目标代码段是否为一致代码段）。

127 特权检查 CALL指令 满足以下两个条件时，才允许使用调用门： （1） DPLGATE≥MAX（CPL, RPL）
（2） DPLCODE≤CPL 如果CCODE为1，则当前特权级不变； 如果CCODE为0，则当前特权级提升为DPLCODE （DPLCODE＜CPL）或者维持不变（DPLCODE＝CPL）。 DPLCODE≤CPL的条件是防止执行调用门后，当前特权级降低。

128 特权检查 JMP指令 满足以下两个条件时，才允许使用调用门： （1） DPLGATE≥MAX（CPL, RPL）
（2） CCODE为1且DPLCODE≤CPL 或 CCODE为0且DPLCODE＝CPL 如果CCODE为1，则当前特权级不变； 如果CCODE为0，则当前特权级也不变（DPLCODE＝CPL）。 结论：JMP指令使用调用门不能提升特权级。

129 间接转移的保护示例 如图3-48CPL=3的代码段A，通过门描述符A的选择符A1转移到代码段E，代码段E的描述符中C位=0，CPL从3提升为0。门描述符B的DPL=2，因此它只允许CPL=2的代码段B和CPL=1的代码段C来使用，CPL=3的代码段A则不能使用门描述符B。可以把门描述符B看做是代码段D的“哨兵”。在进入到代码段D后，由于代码段D的描述符中C位=1，CPL维持不变。

130 输入输出保护 CPU采用I/O特权级IOPL（I/O Privilege Level）和TSS段中I/O许可位图的方法来控制输入/输出，实现输入/输出保护。 只要满足一下条件之一就可以进行输入输出： CPL≤IOPL时，可以执行I/O敏感指令。 CPL > IOPL时，TSS中IO位图等于0时，也可以执行I/O敏感指令。

131 基于IOPL的保护 在EFLAGS寄存器中，有2位是输入输出特权级IOPL。CPL≤IOPL时，可以执行I/O敏感指令。

132 I/O敏感指令 IOPL的敏感指令在实模式下总是可以执行 ；保护模式下CPL=0也可以执行，即限制是针对应用程序的。
操作系统可以为每个任务设置EFLAGS值和独立的TSS，所以每个任务的IOPL和I/O许可位图都可以不同。

133 I/O许可位图 I/O许可位图中每一位对应一个I/O地址。如果位串中的第n位取值为0，表示I/O地址n就可以由任何特权级的程序访问；取值为1，表示I/O地址n只能由在IOPL特权级或更高特权级运行的程序访问，如果低于IOPL特权级的程序访问许可位为1的I/O地址，那么将引起通用保护异常。

134 I/O许可位图要点 Intel 80x86系列计算机的I/O地址空间范围是0000H～0FFFFH，所以I/O许可位图的二进制位串最大为8KB。 TSS内偏移66H的字确定I/O许可位图在TSS段中的位置，叫做I/O位图的基址。I/O位图大小=TSS段长度-I/O位图基址。由于I/O许可位图最长可达8KB，所以开始偏移应小于56KB，但必须大于等于104B。 未在I/O位图中说明的I/O地址许可位默认为1，禁止低于IOPL特权级的程序访问这些I/O地址。故 I/O位图的大小设置为0，就表示不允许应用程序访问任何I/O端口。 一个任务实际需要使用的I/O许可位图大小通常要远小于这个数目。 I/O许可位图的大小s等于TSS段的长度减去I/O位图基址，它定义了I/O地址空间0～s×8–1的许可位。

135 涉及多个I/O地址的处理 例如指令：IN EAX, DX 涉及4个I/O地址，则CPU在检查许可位时，这条指令用到的所有I/O地址的许可位都必须为0，才允许访问；如果其中的任何一个许可位为1，则引起保护异常。

136 对IOPL位的保护 1、只有在特权级0下执行的程序才可以修改IOPL位及VM位； 2、只有IOPL级或更高的特权级的程序才可以修改IF位。
应用程序能够访问的I/O地址空间受操作系统限制。当CPL≤IOPL的条件不能满足，应用程序能够访问的I/O端口就取决于I/O位图。

137 感谢关注聆听！ http://www.nlpir.org 张华平
实验室官网： 大数据千人会