linux分段内存管理中的GDT,LDT,GDTR,LDTR

本文是对上一篇文章《逻辑地址、线性地址、物理地址的关系以及段寄存器在不同位数CPU中的用途演变以及GDT LDT PGD PT的关系》的补充。

一. 寻址方式：实地址模式和保护地址模式

我们知道，内存寻址模式在早期是采用的实地址模式（intel 80286之前），后面发展到了保护模式（80286开始）。在8086的时候，也就是16位cpu的时候，CPU配备了4个16位段寄存器（CS代码段寄存器、DS数据段寄存器、SS堆栈段寄存器和ES附加寄存器），当时设计的寻址空间为1M。而1M是 $2^{20}$ ，因此需要20位宽，而寄存器是16位，怎么办呢？

段寄存器里面存储的是实际物理内存地址的高16位，CPU要处理的访存指令里给出的是低16位的地址（内部地址）。这样，高16位的地址后面加上0000得到基址，再和低16位地址（偏移量）相加，就得到了物理内存地址，这就是所谓的[段寄存器基址：段内偏移量]方式的寻址。注意，这里得到的是物理内存地址，可不上上文说的虚拟地址等等。

而在8086年代，用户可以随意修改四个段寄存器的内容，同时低16位地址可以是有效范围内的任意值（64K空间）。这样，就意味着你可以随意（读和写）访问物理内存中的任何位置的数据，就问你怕不怕？从上面的表述，你能发现，在8086年代，系统是对物理内存没有任何保护和访问控制的吧。这就是所谓的实地址模式（和保护模式相对应的）

到了80286，考虑到实地址模式的潜在危险（这个已经被人利用过了），intel将寻址方式改成了保护模式，但改的不够彻底，能从实地址模式转到保护模式，但不能反向转换。从80386开始才算是彻底转换成功，从此开始了32位cpu的时代。考虑到向前兼容性，80386还得支持实地址模式，所以只能基于原来的4个段寄存器进行修修补补。但是这一次不是小打小闹，而是进行了重大改进。上文说过了，80386增加了段寄存器的数量。设计思想是：在保护模式下，改变段寄存器的功能，不再表示单一的一个基地址，变成指向一个数据结构的指针。这个结构是啥呢？就是段描述符Segment Descripter了（它长度为64bit，8个字节，每一描述符描述一个段的信息），而段描述符是聚集在一起存储的，那个结构叫段描述符表，Segment Descripter table。又根据这个段描述符表里存的是全局共同的，还是进程私有的，分成了全局段描述符表（GDT）和局部段描述符表（LDT）。

那么80386的段寄存器里存的是什么呢？虽然说要存指向段描述符的指针，但是发现用不到16位那么多，那就不能浪费啊。用1位表示从LDT还是GDT找段描述符，找哪个呢？LDT和GDT都可以看做数据（顺序连续存储的）用13位表示下标吧。剩下2位当成访问控制吧。这就是所谓的“段选择符”或者“段选择子”。

二. 描述符表

全局描述符表GDT

在整个系统中只有一张(一个处理器对应一个GDT)，GDT可以被放在内存的任何位置，但CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，Intel的设计者提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址，程序员将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此寄存器，从此以后，CPU就根据此寄存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。GDTR中存放的是GDT在内存中的基地址和其表长界限。

基地址指定GDT表中字节0在线性地址空间中的地址，表长度指明GDT表的字节长度值。指令LGDT和SGDT分别用于加载和保存GDTR寄存器的内容。在机器刚加电或处理器复位后，基地址被默认地设置为0，而长度值被设置成0xFFFF。在保护模式初始化过程中必须给GDTR加载一个新值。

段选择子（Selector）

由GDTR访问全局描述符表是通过“段选择子”（实模式下的段寄存器）来完成的。段选择子是一个16位的寄存器（同实模式下的段寄存器相同）

段选择子包括三部分：描述符索引（index）、TI、请求特权级（RPL）。它的index（描述符索引）部分表示所需要的段的描述符在描述符表的位置，由这个位置再根据在GDTR中存储的描述符表基址就可以找到相应的描述符。然后用描述符表中的段基址加上逻辑地址（SEL:OFFSET）的OFFSET就可以转换成线性地址，段选择子中的TI值只有一位0或1，0代表选择子是在GDT选择，1代表选择子是在LDT选择。请求特权级（RPL）则代表选择子的特权级，共有4个特权级（0级、1级、2级、3级）。

关于特权级的说明：任务中的每一个段都有一个特定的级别。每当一个程序试图访问某一个段时，就将该程序所拥有的特权级与要访问的特权级进行比较，以决定能否访问该段。系统约定，CPU只能访问同一特权级或级别较低特权级的段。

例如给出逻辑地址：21h:12345678h转换为线性地址

a. 选择子SEL=21h=0000000000100 0 01 （b）代表的意思是：选择子的index=4即0100，选择GDT中的第4个描述符；TI=0代表选择子是在GDT选择；最后的01代表特权级RPL=1

b. OFFSET=12345678h若此时GDT第四个描述符中描述的段基址（Base）为11111111h，则线性地址=11111111h+12345678h=23456789h

局部描述符表LDT

局部描述符表LDT（Local Descriptor Table）局部描述符表可以有若干张，每个任务可以有一张。我们可以这样理解GDT和LDT：GDT为一级描述符表，LDT为二级描述符表。如图

LDT和GDT从本质上说是相同的，只是LDT嵌套在GDT之中。LDTR记录局部描述符表的起始位置，与GDTR不同，LDTR的内容是一个段选择子。由于LDT本身同样是一段内存，也是一个段，所以它也有个描述符描述它，这个描述符就存储在GDT中，对应这个表述符也会有一个选择子，LDTR装载的就是这样一个选择子。LDTR可以在程序中随时改变，通过使用lldt指令。如上图，如果装载的是Selector 2则LDTR指向的是表LDT2。举个例子：如果我们想在表LDT2中选择第三个描述符所描述的段的地址12345678h。

1. 首先需要装载LDTR使它指向LDT2，使用指令lldt将Select2装载到LDTR

2. 通过逻辑地址（SEL:OFFSET）访问时SEL的index=3代表选择第三个描述符；TI=1代表选择子是在LDT选择，此时LDTR指向的是LDT2,所以是在LDT2中选择，此时的SEL值为1Ch(二进制为11 1 00b)。OFFSET=12345678h。逻辑地址为1C:12345678h

3. 由SEL选择出描述符，由描述符中的基址（Base）加上OFFSET可得到线性地址，例如基址是11111111h，则线性地址=11111111h+12345678h=23456789h

4. 此时若再想访问LDT1中的第三个描述符，只要使用lldt指令将选择子Selector 1装入再执行2、3两步就可以了（因为此时LDTR又指向了LDT1）

由于每个进程都有自己的一套程序段、数据段、堆栈段，有了局部描述符表则可以将每个进程的程序段、数据段、堆栈段封装在一起，只要改变LDTR就可以实现对不同进程的段进行访问。

当进行任务切换时，处理器会把新任务LDT的段选择符和段描述符自动地加载进LDTR中。在机器加电或处理器复位后，段选择符和基地址被默认地设置为0，而段长度被设置成0xFFFF。

1：访问GDT

段描述符在GDT中

当TI=0时表示段描述符在GDT中，如上图所示：

①先从GDTR寄存器中获得GDT基址。

②然后再GDT中以段选择器高13位位置索引值得到段描述符。

③段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址yyyyyyyy才得到最后的线性地址。

2：访问LDT

当TI=1时表示段描述符在LDT中，如上图所示：

①还是先从GDTR寄存器中获得GDT基址。

②从LDTR寄存器中获取LDT所在段的位置索引(LDTR高13位)。

③以这个位置索引在GDT中得到LDT段描述符从而得到LDT段基址。

④用段选择器高13位位置索引值从LDT段中得到段描述符。

⑤段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址yyyyyyyy才得到最后的线性地址。

扩展

除了GDTR、LDTR外还有IDTR和TR

（1）中断描述符表寄存器IDTR

与GDTR的作用类似，IDTR寄存器用于存放中断描述符表IDT的32位线性基地址和16位表长度值。指令LIDT和SIDT分别用于加载和保存IDTR寄存器的内容。在机器刚加电或处理器复位后，基地址被默认地设置为0，而长度值被设置成0xFFFF。

（2）任务寄存器TR

TR用于寻址一个特殊的任务状态段（Task State Segment，TSS）。TSS中包含着当前执行任务的重要信息。

TR寄存器用于存放当前任务TSS段的16位段选择符、32位基地址、16位段长度和描述符属性值。它引用GDT表中的一个TSS类型的描述符。指令LTR和STR分别用于加载和保存TR寄存器的段选择符部分。当使用LTR指令把选择符加载进任务寄存器时，TSS描述符中的段基地址、段限长度以及描述符属性会被自动加载到任务寄存器中。当执行任务切换时，处理器会把新任务的TSS的段选择符和段描述符自动加载进任务寄存器TR中。