关于操作系统:从零开始写-OS-内核-全局描述符表-GDT

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

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 code 和 data 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 code 和 data 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 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 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，能够忽视；
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 kernel 和 user 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 Limit 是 0xBFFFF，留神 Flags 的 Gr (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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