Chapter 4.3 - 分段机制

Created by : Mr Dk.

2019 / 07 / 24 21:47

Nanjing, Jiangsu, China

4.3 分段机制

4.3.1 段的定义

线性地址空间 - CPU 可寻址的地址空间。32-bit 对应 4GB 线性地址空间 - 0x00000000 - 0xffffffff，这些空间被映射到 RAM、ROM、I/O 上。

每个段由三个参数定义：

  1. 段基地址 - 段在 线性地址空间 中的起始地址
  2. 段长度 - 虚拟地址空间中，段内最大可用偏移
  3. 段属性 - 段是否可读、可写；段的特权级等

可能导致的异常：

  • 偏移量大于段长度
  • 访问段的特权级不够

多个段映射到线性地址中的范围可以部分重叠或覆盖，甚至完全重叠。

这句话我至今似懂非懂 🤔

段的以上三个参数定义在 段描述符 (Segment Descriptor) 中。段描述符保存在 段描述符表 中：一个包含段描述符的数组。段选择符通过制定表中的某个描述符来指定对应的段。

线性地址转换过程：

  1. 段选择符中的 14-bit 索引在 GDT 或 LDT 中找到对应的段描述符
  2. 校验段描述符中的访问权限和访问范围，确保段可访问，且偏移量位于段内
  3. 在段描述符表中取得段基地址，与偏移量相加，形成线性地址

4.3.2 段描述符表

段选择符中：

  • TI 位用于选择访问 GDT 还是 LDT
  • 高 13 位用于选择对应段描述符表中的描述符偏移个数，因此段描述符最多可以包含 2^13 个 8 B 的段描述符

描述符表存储在由 OS 维护的特殊数据结构中，由 OS 保护在仅能由 OS 访问的内存区域中，由 CPU 的内存管理硬件引用。虚拟地址空间 ( 2^14 个段 ) 被切分为大小相等的两半：

  • 2^13 个段是由 GDT 映射的全局虚拟地址空间
  • 2^13 个段是由 LDT 映射的局部虚拟地址空间

发生任务切换时，LDT 会被切换为新任务的 LDT，而 GDT 不会改变。因此，GDT 映射的部分是各个任务共有的。LDT 所映射的部分会随任务切换而改变，LDT 段也由 GDT 来映射。

书中给出的这张图太好了：

4-9

GDT 的基地址位于 GDTR 中，并在内存中 8B 对齐。GDT 的长度应当总是 8N - 1，因为段描述符总是 8B。CPU 不使用 GDT 的第一个描述符 - 空描述符。若使用了空描述符访问内存对触发保护性异常。

4-8

LDT 表存放在 LDT 类型的系统段中，每个 LDT 的 段选择符 和 段描述符 都必须在 GDT 中，访问 LDT 也需要段选择符。为了减少访问 LDT 时的地址转换次数，将 GDT 中 LDT 的段选择符、基地址、段长度、访问权限缓存在 LDTR 中。

4.3.3 段选择符

段选择符 (段选择子) 是一个 16-bit 标识符：

  • 高 13-bit：段在描述符表中的 index
  • TI：GDT / LDT
  • RPL (Requested Privilege Level)：请求特权级，提供段保护信息

对于应用程序来说，段选择符是指针的一部分，但选择符的值通常由链接加载程序修改。CPU 提供存放 6 个段选择符的寄存器，即段寄存器：最多同时有 6 个段可供立即访问，若要访问其它段，就需要加载段选择符。

为避免每次访问内存都使用 段选择符 去查找 段描述符表 中的 段描述符。每个段寄存器包含可见部分 + 隐藏部分 (描述符缓冲 / 影子寄存器)

  • 当段选择符被加载到段寄存器中时，自动加载对应段描述符中的基地址、段长度、权限等信息到隐藏部分
  • 即 影子寄存器中含有对应段描述符信息的一个拷贝
  • OS 需要确保对段描述符的改动反应在影子寄存器中,一旦段描述符被修改，立刻重新加载六个段寄存器

4-12

4.3.4 段描述符

段描述符是 GDT 和 LDT 中的一个数据结构项，8 字节长。包含段基地址、段长度、段属性三个主要字段。段描述符由编译器、链接器、加载器或 OS 创建

  • LIMIT - Segment Limit Field
    • 20-bit 段长度
    • 由 G 为来指定粒度 - 1B / 4KB
  • BASE - Base Address Field
    • 32-bit 段基地址
    • 最好对齐 16 B 边界
  • TYPE - Type Field
    • 段或门类型
    • 段的访问种类和扩展方向
  • S - Descriptor Type Flag
    • 描述符类型 - 系统段描述符 / 应用 (代码/数据) 段描述符
  • DPL - Descriptor Privilege Level
    • 描述符特权级，控制对段的访问
  • P - Segment Present
    • 段是否在内存中
  • G - Granularity
    • 颗粒度标志 - 确定 LIMIT 值得单位 - 1B / 4KB

4.3.5 代码和数据段描述符类型

4.3.6 系统描述符类型

  • 局部描述符表 LDT 段描述符
  • 任务状态段 TSS 段描述符
  • 调用门描述符
  • 中断门描述符
  • 陷阱门描述符
  • 任务门描述符

分为两大类：

  1. 系统段描述符：指向系统段
  2. 门描述符：含有对应段的 段选择符 和 段中程序入口点指针