x86汇编语言从实模式百度云_Intel x86 CPU 32位保护模式杂谈之任务切换上

什么是任务
任务由什么组成
任务门描述符是什么东东？有了TSS描述符为什么要有任务门描述符？
参考文献

什么是任务

任务(task)是处理器可以分配、执行、挂起的工作单位，笔者认为和我们操作系统中谈论的进程(process)概念是一致的，在我cpu看来是任务，在你操作系统看来是进程，两者各自为其提供了支持，CPU为任务提供执行空间和任务状态段等硬件支持，操作系统也会为每个进程创建TCB数据结构存储进程相关信息。这个稍后再谈，现在我们只要知道任务这个概念就可以了，通常系统必须定义一个任务，复杂系统可以使用处理器的任务管理机制来支持多任务。

任务由什么组成

任务由两部分组成：

任务执行空间：代码段、数据段、栈段等等，说白了就是为任务分配分配的运行空间。
任务状态段(TSS)

处理器专门为任务设置了一个段，称之为任务状态段，既然是一个段，必然有段描述符和段选择符，段选择符的格式不会变，通常为16位，包含13位索引，1位指示GDT或LDT，最后两位RPL，段描述符的格式如下所示可见其中包含了TSS的段基地址和段界限，很明显，段的界限+1为TSS段的大小，现在来看一下TSS的结构：

从下至上，previous Task Link字段中放入了前一个任务的TSS选择符，当A任务通过call指令调用B任务，任务切换时就会将该字段填入A任务的TSS选择符，确保当B任务返回时，可以返回到A任务。然后就是三个特权级下的栈基地址和栈偏移指针。接着是CR3控制寄存器，里面有分页机制的页目录基地址，每个任务的页目录基地址不同，因此也要好好保存起来，接下来的字段保存了32位模式的16个寄存器(8个通用寄存器、6个段寄存器、EIP寄存器和EFLAGS寄存器)，这样的话当前任务的代码段、数据段、栈段以及其他状态我们都保存了下来。当然还有LDT段选择符，每一个任务都有其自己的LDT段。

剩下的三个字段其实我们不需要太关注，这里简单提一下。T位表示如果T位为1，那么在任务切换到该任务时会引起异常，为0则不引起。最后的I/O Map Base Address Field字段里面放的是从TSS基地址开始到I/O permission bit map和interrupt redirection bit map的16位偏移地址(注意，这里面隐含的信息在于这些bitmap其实是放在TSS里面的，即TSS并不是我们上图看到的固定大小108字节的，否则TSS描述符的段界限字段就没用了不是)，当这个字段被设置时，这16位指向I/O permission bit map的起始位置和interrupt redirection bit map的结束位置。这两个map我们暂时不用知道其含义，只需要知道和任务的I/O有关。最后是Shadow Stack Pointer(SSP)字段，无需了解。

上面对任务状态段(TSS)进行了简单的描述，里面存储了任务的全部信息，因此在多任务系统下，我们只需要找到一个任务的TSS段选择符，通过描述符去GDT中(通常TSS段描述符是不放在LDT中的，每个任务都有一个TSS段和LDT段，应该放在全局空间才合理，但你非要放在LDT中也不是不行，处理器也是允许的)找TSS段描述符，通过描述符中段基址和段界限字段确定TSS段的地址和长度，就可以找到描述一个任务的完整信息啦！所以CPU只需要提供一个硬件来存放选择符，就可以获取任务的全部信息，这就是TR(Task Register)寄存器存在的原因——标识了当前任务。

可以看到TR是一个16位寄存器，其中存放着当前任务的TSS段选择符，当处理器将任务的TSS段选择符加载到TR中时，也会将TSS段描述符中的段基址和段界限字段放到TR的不可见部分(不可见即程序员不可以通过机器指令直接访问该寄存器)，这样的话，每次访问当前任务的TSS，就不用查GDT表，找描述符，获取到段基址，而是直接根据TR不可见部分中的段基址就可以访问到TSS段，提高了效率。

小知识：LTR和STR指令可以用来改变TR中的可见部分。其中LTR是特权级指令，STR是非特权级指令，但当CR4.UMIP = 1时，STR则只能被CPL=0的程序执行。

当处理器power up或reset时，TR的段选择符和基地址字段被设置为全0，段界限字段设置为FFFFH

任务门描述符是什么东东，为什么有了TSS描述符还要有任务门描述符？

Intel CPU手册中提到：“处理器定义了五个任务相关的数据结构：1. Task-state segment、2. Task-gate descriptor、3.TSS Descriptor、4. Task Register 5. NT flag in the ELAGS register”。其中1、3、4我们在上面已经提过，这里进行一个简单的重温，TSS实际上是一个段，其中存放着描述任务的所有信息，段必然有描述符，这就是TSS Descriptor，描述符里面存放了TSS的段基址和段界限等信息，有描述符必然得有选择符吧，TR作为硬件，就存放了TSS的段选择符。

下面我们来说说二，中文名字任务门描述符，他和TSS描述符有什么关系吗？答案是任务门描述符中存放了用于索引TSS描述符的选择符。(选择符中的RPL没有用，这就代表其选择符的RPL并不参与特权级检查)，因此我们可以说任务门选择符提供了对一个任务的间接访问。

他可以放在LDT、GDT和IDT中。(但通常来说TSS描述符只放在GDT中，至于为什么，我们接下来讲述。

介绍完了任务门描述符，可以告诉大家一个结论：任务只能通过任务门描述符或TSS描述符来访问。看到这里大家有没有一个疑惑：有了TSS描述符为什么还需要任务描述符来间接访问任务啊？岂不是多此一举？下面笔者就为大家解答疑惑。

Intel CPU手册中说，上面这两个结构必须满足以下要求：

Need for a task to have only one busy flag(一个任务只能有一个busy位)

不知道大家看TSS描述符时是否看到了的Type.B位？其含义为当前任务是否忙(busy)，关于这个位的具体含义稍后解释，我们需要知道的是，Intel规定一个任务只能有一个busy位，由于任务的busy位存储在TSS描述符中，因此每一个任务只能有一个TSS描述符，然而，可以存在好几个任务门描述符指向相同的TSS描述符。

Need to provide selective access to tasks(任务需要有可选择访问权限)

通常TSS描述符中的DPL为0，应用程序没有权限访问，但是任务门描述符可以和TSS描述符具有不同的DPL(通常数值上高于TSS描述符DPL)，从而为低特权级程序提供访问任务的方式。这样的任务门描述符通常在LDT中。

Need for an interrupt or exception to be handled by an independent task(可以用任务来处理中断和异常)

任务门可以放在IDT中从而允许任务来处理异常和中断，当中断和异常向量指向任务门，处理器会执行任务切换，切换到指定的程序。

现在是不是有些明了了?(不明白欢迎讨论)，任务门描述符可以提供这么多作用，这也就是它存在的原因。

现在讲完了1. Task-state segment、2. Task-gate descriptor、3.TSS Descriptor、4. Task Register，还剩个5，这涉及到了任务切换的相关知识。且听下回分解。

参考文献

[1] Intel CPU手册https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/intel-sdm.html

[2] 《x86汇编语言从实模式到保护模式》

[3] 《Oranges's》