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关于操作系统:从零开始写-OS-内核-全局描述符表-GDT

系列目录

  • 序篇
  • 筹备工作
  • 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
  • 中断解决
  • 虚拟内存欠缺
  • 实现堆和 malloc
  • 创立第一个内核线程
  • 多线程运行与切换
  • 锁与多线程同步
  • 过程的实现
  • 进入用户态
  • 一个简略的文件系统
  • 加载可执行程序
  • 零碎调用的实现
  • 键盘驱动
  • 运行 shell

扩大并重载 GDT

本篇咱们将在 kernel 中从新定义并扩大 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 相干手册文档的查阅和相熟。

GDT 在 loader 阶段咱们曾经初步定义并加载过一次,在那里咱们只定义了 kernel 的 codedata 段,因为到目前为止,以及在前面相当长的一段时间里,咱们始终处于 kernel 空间中,以 CPU 特权级 0 进行运行。然而作为一个 OS,最终是要运行并治理用户程序的,因而 GDT 中还须要退出用户态的 codedata 段。

另外咱们也心愿对后面的 GDT 重新整理一下,毕竟在汇编下比拟凌乱,很多数据结构治理起来不清晰。

GDT 代码

GDT 以及 segment 相干的常识,是 x86 体系架构的历史遗留产物,十分令人讨厌。然而 Intel 为了历史兼容,又不得不始终保留这些历史包袱。咱们也不用花太多心理和脑筋在这下面,只有依照文档标准,把该填都填了,该写的都写了,微微带过就能够了。它并不是咱们我的项目的外围局部。

按常规,先给出代码链接,次要源文件是 src/mem/gdt.c。

对于 GDT 的文档,你能够参考这里。

首先咱们须要定义 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 的构造:

其中 base 是指 segment 的内存基址,limit 则是长度,它能够有 1 或者 4KB 两种单位。

其余部分则是图二中展现的一些标记比特位,这里就不多费笔墨了,还是要对着文档认真校对。

而后咱们定义 GDT 表:

static gdt_entry_t gdt_entries[7];

咱们这里调配了 7 个 entry:

  • 第 0 项保留;
  • 第一个是 kernelcode segment
  • 第二个是 kerneldata segment
  • 第三个是 video segment,这个不是必须的,能够忽视;
  • 第四个是 usercode segment
  • 第五个是 userdata segment
  • 第六个是 tss

从第四个开始,都是用户态须要用到的。其中第六个 tss 目前不用深究,前面进入用户态时咱们会回过来再细看这部分。

而后咱们定义设置 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;
}

对照着下面那幅图看就能够了。

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);

比照 kerneluser 局部的差异,次要是两点:

  • Access Byte 中的 Privl:一共两个 bit 位,对 kernel 来说它是 00,而对 user 则是 11,它的含意是 DPL (Descriptor Privilege Level),代表的是拜访这个 segment 须要的最小 CPU 特权级。

  • Limit:因为用户空间限度在了 3GB 以下,所以它的 Limit0xBFFFF,留神 FlagsGr (Granularity) 位是 1,所以 Limit 的 单位是 4KB,能够计算失去 (0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB

有了这两点限度,当 CPU 处于用户态时,它就无法访问 3GB 以上的 kernel 空间,这样 segment 机制的作用就施展进去了。

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