这篇文章主要说一下linux对于分段机制的处理,虽然都说linux不使用分段机制,但是分段机制属于CPU的一个功能,即使linux不使用,也要通过代码想办法绕过它,况且linux也使用到了分段机制中的某些功能。
分段机制主要功能只有两点:
对于linux内核来说,它仅仅只使用了分段机制中的权限控制功能,具体我们可以一起看看是如何做的。
CPU的段寄存器在CPU中,跟段有关的CPU寄存器一共有6个:cs,ss,ds,es,fs,gs,它们保存的是段选择符。而同时这六个寄存器每个都有一个对应的非编程寄存器,它们对应的非编程寄存器中保存的是段描述符。系统可以把同一个寄存器用于不同的目的,方法是先将其寄存器中的值保存到内存中,之后恢复。而在系统中最主要的是cs,ds,ss这三个寄存器。
在段寄存器中主要保存的是段选择符,它的长度是16位,具体如下:
段选择符主要用途就是根据段索引号和TI标志,去到GDT或者LDT中找到这个选择符对应的段描述符,比如我们在内核代码中常见的__KERNEL_CS,__KERNEL_DS,__USER_CS,__USER_DS就是段选择符,它们并不是段描述符。
全局描述符表与局部描述符表全局描述符表和局部描述符表保存的都是段描述符,记住要把段描述符和段选择符区别开来,保存在寄存器中的是段选择符,这个段选择符会到描述符表中获取对于的段描述符,然后将段描述符保存到对应寄存器的非编程寄存器中。 系统中每个CPU有属于自己的一个全局描述符表(GDT),其所在内存的基地址和其大小一起保存在CPU的gdtr寄存器中。其大小为64K,一共可保存8192个段描述符,不过第一个一般都会置空,也就是能保存8191个段描述符。第一个置空的原因是防止加电后段寄存器未经初始化就进入保护模式而使用GDT。 而对于局部描述符表,CPU设定是每个进程可以创建属于自己的局部描述符表(LDT),当前被使用的LDT的基地址和大小一起保存在ldtr寄存器中。不过大多数用户态的liunx程序都不使用局部描述符表,所以linux内核只定义了一个缺省的LDT供大多数进程共享。描述这个局部描述符表的局部描述符表描述符保存在GDT中。 对于表中的段描述符我们简单说几个特别的:
段描述符段描述符就是保存在全局描述符表或者局部描述符表中,当某个段寄存器试图通过自己的段选择符获取对于的段描述符时,会将获取到的段描述符放到自己的非编程寄存器中,这样就不用每次访问段都要跑到内存中的段描述符表中获取。
数据段描述符: 表示这个段描述符代表一个数据段,这种描述符可以放在GDT或者LDT。该描述符的S标志位为1,也就是非系统段。需要注意内核数据段属于数据段描述符,并不属于系统段描述符。 代码段描述符: 表示这个段描述符代表一个数据段,这种描述符可以放在GDT或者LDT。该描述符的S标志位为1,也就是非系统段。需要注意内核代码段属于代码段描述符,并不属于系统段描述符。 系统段描述符: 此描述符代表一个系统段,Type的值代表了是哪一种系统段,S标志位为0。其中以下两种都是系统段 局部描述符表描述符(LDTD,系统段描述符的一种): 此种描述符代表一个包含有LDT的段,它只能保存在GDT中,相应的Type为2,S为0。 任务状态段描述符(TSSD,系统段描述符的一种): 这个描述符代表一个任务状态段(TSS),这个段用于保存部分处理器寄存器的内容(内核态栈地址和IO许可权限位),它只保存在GDT中,根据相应的进程是否正在CPU上运行,其Type字段的值分别为11或9.这个描述符S标志为0。 在所有段描述符中可能大家最关心的就是内核代码段描述符和内核数据段描述符以及用户代码段描述符和用户数据段描述符了,这里也具体说说这几个描述符,它们的构成如下: 可以看出来它们的S都是1,都是非系统段,注意并不是内核用的段就是系统段,这里的系统段的区分不是我们用户态和内核态的这种划分。所有的用户进程都是使用同一个用户代码段描述符和用户数据段描述符,它们是__USER_CS和__USER_DS,也就是每个进程处于用户态时,它们的CS寄存器和DS寄存器中的值是相同的。当任何进程或者中断异常进入内核后,都是使用相同的内核代码段描述符和内核数据段描述符,它们是__KERNEL_CS和__KERNEL_DS。这里要明确记得,内核数据段实际上就是内核态堆栈段。 还可以看出这几个段的BASE都是0x00000000,LIMIT都是0xfffff,并且G为1。也就是说,用户代码段,用户数据段,内核代码段,内核数据段这四个段它们的寻址地址都是0x00000000~0xffffffff。也就是地址0到4G的大小。这也形成了为什么所有进程都可以使用同一个用户代码段和用户数据段的条件。并且很清楚地可以看出,内核代码段和内核数据段都需要CPL为0时才能访问,而用户代码段和用户数据段在CPL为0或者3时都可以访问。 再看看这4个段描述符对应的段选择符: 可以看出来,它们的TI为0,表示都保存在全局段描述符表中。可能看到这里大家会有个疑问,既然用户段的RPL为3,那怎么去访问DPL为0的内核段呢,这就是linux精明的地方,它就是禁止用户态访问内核态的数据,但是内核为用户态开了两个小门,然用户态能够通过这两个小门进入到内核态中,这两个小门就是系统调用与中断和异常。
快速访问段描述符: 先看一下系统是如何将逻辑地址转换为线性地址的: 逻辑地址是由段选择符(16位) + 段内偏移量offset(32位)得来。之前也说到,只有处于用户态,CS和DS寄存器中的值都是__USER_CS和__USER_DS。只要处于内核态,CS和DS寄存器中的值都是__KERNEL_CS和__KERNEL_DS。在我们编程过程中,实际上提供的地址都是一个偏移量,系统会自动将这个偏移量与CS中的段选择符进行结合。也就是我们使用的逻辑地址实际上只使用了offset这一段,段选择符都为空。之前也说了这四个段描述符的BASE都为0x00000000,也得出当逻辑地址通过这样的分段机制转为线性地址后,实际上并没有变化,也就是逻辑地址=线性地址(其实这两个地址都是offset的值)。 也可以看出来,每次进行地址转换时都要通过段描述符获取段的基地址然后与偏移量运算得到线性地址,而段描述符是保存在内存当中的,这样每次转换难道就要访问一次内存或者cache吗?当然不是,之前说到一共有6种段寄存器,它们每个都有属于自己的一个非编程寄存器,专门用于存放现在的段描述符,比如拿cs段寄存器说,cs寄存器存放的是段选择符,所以每次通过逻辑地址访问这个段里的内容时,都要通过这个段选择符与gdtr(段描述符保存在全局描述符表中)或者ldtr(段描述符保存在局部描述符表中)结合然后从内存中得到对应的段描述符,然后根据段描述符的BASE和LIMIT将逻辑地址转换为线性地址。如果进行连续访问时(而且连续访问的概率非常高),这样的效率就非常低了,这个cs段寄存器对应的非编程寄存器就是用于保存这个段描述符的,这样就不用每次都从内存中获取段描述符,而是直接从这个CS对应的非编程寄存器中获取段描述符。
任务状态段(TSS)任务状态段的段选择符保存在tr寄存器中,内核为每个CPU准备了一个任务状态段,其主要保存的是当前进程的IO许可权限位和栈顶指针,其作用主要有两个:
TSS段的保存形式是一个tss_struct结构体,系统会将所有CPU的tss_struct结构体组成一个init_tss数组的形式进行保存,我们具体看一下tss_struct结构体: struct tss_struct { /* * The hardware state: */ /* 存放寄存器的值的结构体,保存有栈顶指针SP寄存器的值 */ struct x86_hw_tss x86_tss; /* * The extra 1 is there because the CPU will access an * additional byte beyond the end of the IO permission * bitmap. The extra byte must be all 1 bits, and must * be within the limit. */ /* 当前进程的IO许可权限位 */ unsigned long io_bitmap[IO_BITMAP_LONGS + 1]; /* * .. and then another 0x100 bytes for the emergency kernel stack: */ /* 紧急内核栈 */ unsigned long stack[64]; } ____cacheline_aligned; struct x86_hw_tss { u32 reserved1; u64 sp0; u64 sp1; u64 sp2; u64 reserved2; u64 ist[7]; u32 reserved3; u32 reserved4; u16 reserved5; u16 io_bitmap_base; } __attribute__((packed)) ____cacheline_aligned;
中断或异常发生时的段切换其实发生段的切换有两种情况,一种是系统调用发生时,一种是中断或异常发生时,但是这两种情况都大同小异,这里我们只拿中断异常发生的情况进行说明。 这里只说明系统大多数发生的情况,不讨论个例。假定当前系统处于用户态执行代码中,这时候各个段寄存器的值应该是这样的:
当中断或异常发生时,CPU会按照如下步骤进行执行:
这些步骤执行完后,寄存器变化为:
而内核栈中保存的值有:用户态CS,用户态SS,用户态ESP,用户态EIP,用户态eflags。当系统从中断返回用户态时,就会从内核栈中将这些值还原,最后会回到进入时的情况。至于为什么不用修改DS寄存器的值,我也不清楚。 |
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