【OS学习笔记】二十四 保护模式七：调用门与依从的代码段----特权级保护
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上一篇文章学习了保护模式下的任务与任务隔离，以及简单介绍了保护模式下的特权级的概念。点击链接查看上一篇文章：任务与任务隔离
今天具体来学习一下保护模式下的特权级保护。
主要学习以下内容;
描述符特权级（目标对象的特权级）DPL
当前特权级CPL
低特权级的应用调用高特权级的操作系统代码的两种方法
- 第一种方法是将高特权级的代码段定义为依从的
- 第二种方法是使用调用门
请求特权级RPL
文章目录
- 1、描述符特权级DPL
- 2、当前特权级CPL
- 3、如何将代码段转移到另一个代码段
- 3.1 将高特权级的代码段定义为依从的
- 3.2 调用门
- 4、总结
1、描述符特权级DPL
实施特权级保护的第一步，是为所有可管理的对象赋予一个特权级，以决定谁能访问它们。在这篇文章中保护模式二：段描述符，我们学习了描述符的格式，如下图。
每个描述符都有一个两比特的DPL字段。可取值为0,1,2,3 。DPL是每个描述符都有的字段，称为描述符特权级，而描述符总是指向它所描述的目标的对象，代表着该对象，因此，该字段实际上是目标对象的特权级。
比如对于数据段来说，DPL决定了访问它们所应具备的最低特权级别。如果一个描述符的DPL字段为2，那么能够访问该数据段的只有特权级为0,1,2的程序。当一个特权级为3的程序访问该数据段的时候，将会被处理器阻止，并引发异常中断。
对任何段的访问都要先把该段的描述符加载到段寄存器，所以这种保护手段很容易实现。
2、当前特权级CPL
在实模式下，段寄存器存放的是段地址；而在保护模式下，段寄存器存放的是段选择子与描述符高速缓存器。当处理器正在一个代码段中取指令和执行指令时，那个代码段的特权级叫做当前特权级CPL。
正在执行的这个代码段，其选择子位于段寄存器CS中，其最低两位就是当前特权级的数值。
在一个任务中，有全局空间和局部空间。一般来说任务的全局空间是操作系统的函数，特权级是0。任务的局部空间一般是任务自己的函数，特权级是3。
那些只能在当前特权级CPL为0的时候才能执行的指令，称为特权指令。典型的特权指令如加载全局描述符表的lgdt、加载局部描述符表的指令lldt、停机指令hlt等。
3、如何将代码段转移到另一个代码段
代码段的特权级检查是很严格的，一般来说，控制转移只允许发生在两个特权级相同的代码段之间。
不过为了让特权级低的用户程序可以调用特权级高的内核程序，处理器也提供了相应的解决办法。
- 第一种办法是将高特权级的代码定义为依从的
- 使用调用门
3.1 将高特权级的代码段定义为依从的
在这篇文章里保护模式二：段描述符，我们学习了段描述符，有一个TYPE字段。代码段的TYPE字段有一个C位，如果C=0，这样的代码段只能供同特权级的代码段调用；否则如果C=1，则这样的代码段称为依从的代码段，可以从特权级比它低的程序调用并进入。
注意，即使是将控制转移到依从的代码段，也必须是低特权级的程序调用高特权级的代码并进入。而不能是从高特权级的代码转移到低特权级的代码。内核的代码已经很牛逼了，它是不会想要调用你的用户程序的代码的，就是这个道理。
上述转移到依从代码段的要求可以用一个表达式来传达：
CPL>=目标代码段描述符的DPL
依从的代码段不是在它的DPL特权级上运行，而是在调用程序的特权级上运行。也就是说，当控制权转移到依从的代码段后，不改变当前特权级CPL，段寄存器CS的CPL不发生变化，被调用过程的特权级依从于调用者的特权级。这就是为什么它被称为依从的代码段。
3.2 调用门
除了依从大代码段，另一种在特权级之间转移控制的方法是使用门。
门是另一种形式的描述符。称为门描述符，简称门。和段描述符不同，段描述符用于描述内存段。门用于描述可执行代码，比如一段程序，一个过程，或者一个任务。
实际上，门的类型有好几种。不同特权级之间的过程调用可以使用调用门；中断门/陷阱门是作为中断处理过程使用的；任务门对应单个的任务，用来执行任务切换。在本文，我们重点学习调用门。
所有的描述符都是64位的，调用门描述符也不例外。在调用门的描述符中，定义了目标过程（例程）所在代码段的选择子，以及段内偏移。要想使用调用门进行控制转移，可以使用jmp far或者call far指令，并把调用门的=描述符的选择子作为操作数。
使用jmp far指令，可以将控制通过门转移到比当前特权级高的代码段，但不改变当前特权级别。但是如果使用call far 指令，则当前特权级会提升到目标代码段的特权级。
在继续学习调用门前，我们有一个知识点需要补充。那就是请求特权级RPL。
我们知道，要将一个控制从一个代码段转移到另一个代码段，通常是使用jmp或者call指令，并在指令中提供目标代码的段选择子，以及段内偏移量。而为了访问内存中的数据，也必须将段选择子加载到寄存器DS、ES、FS或者GS。不管是实施控制转移，还是访问数据，这都可以看成是一个请求，请求者提供一个段选择子，请求访问指定的段。从这个意义上来讲，RPL也就是指请求者的特权级别。
在绝大多数情况下，请求者都是当前程序自己，因此CPL=RPL。要判断请求者是谁，最简单的方法是看谁提供的选择子，谁就是请求者。
但是在一些并不多见的情况下，RPL和CPL并不相同。如下图，特权级为3的应用程序，希望从硬盘读一个扇区，并传送到自己的数据段，因此数据段的DPL是3.
上图中，应用程序通过调用门调用内核例程，请求者是用户程序，即RPL=3.但是真正读硬盘的是内核例程，通过调用门会改变当前特权级，进入内核示例后，CPL=0. 此时RPL与CPL就不相同。
不过，上面的例子只是表明RPL有可能与CPL不同，但是并没有说明引入RPL到底有什么必要性。
我们再看下面的一个例子：
假设用户程序不知道从哪里得知了操作系统内核的数据段的选择子。而且该用户程序想要改变该内核数据段的内容。它虽然不可以直接读写内核的数据段，但是它可以通过调用门，调用操作系统例程，当前特权级变为0，可以从硬盘读数据，并将他们写到操作系统的数据段。这下就糟糕了，这肯定会破坏操作系统。
怎么办？？？？
看的出来，单纯依靠处理器硬件的检查机制无法解决这个难题，但它可以在原来的基础上做增加一种检查机制，并把如何通过这种检查的规则交给软件（编写者）
那么此时RPL就派上用场了。每当处理器执行一个将段选择子传送给段寄存器的指令时，会检查以下两个条件是否满足。
- 当前特权级CPL高于或者和数据段描述符的DPL相同。即在数值上有：CPL<=数据段描述符的DPL。
- 请求特权级RPL高于或者和数据段描述符的DPL相同。即在数值上有：RPL<=数据段描述符的DPL。
如果以上两个条件不能同时成立，处理器会阻止这种操作，并引发异常中断。
所以在上图所示的例子中，当用户程序想要写内核的数据段，通过调用门调用内核例程后，当前特权级CPL与数据段描述符的DPL都是0，满足第一个条件。但是RPL=3，数据段的DPL=0，不满足第二个条件，所以处理器引发异常中断。
以上就是引入RPL的作用。它也是特权级保护的重要特性之一。
4、总结
最后我们来总结一下基本的特权级检查规则。
首先，将控制直接转移到非依从的代码段，要求当前特权级CPL和请求特权级RPL都等于目标代码段的描述符的DPL。即在数值上有：
CPL=目标代码段描述符的DPL
RPL=目标代码段描述符的DPL
一个典型的例子就是jmp指令进行控制转移（jmp指令不改变当前特权级）
其次，要将控制转移到依从的代码段，要求当前特权级CPL和请求特权级RPL都低于或者和目标代码的DPL相等。即在数值上有：
CPL>=目标代码段描述符的DPL
RPL>=目标代码段描述符的DPL
控制转移后，当前特权级保持不变。
第三，高特权级别的程序可以访问低特权级别的数据段，但是低特权级别的程序不能访问高特权级别的数据段。访问数据段之前，肯定会修改数据段寄存器，在这个时候，要求当前特权级与请求特权级都必须高于或者和目标数据段的DPL相等。即在数值上有：
CPL<=目标数据段描述符的DPL
RPL<=目标数据段描述符的DPL最后，在任何时候，处理器要求栈段的特权级别必须和当前特权级CPL相同。
详细的内容还是要参考原书籍，这里只是做一个简单的总结。
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