《深入理解Linux内核(第三版)》 §2.2 硬件中的分段

§2.2  硬件中的分段

从80286 模型开始，Intel 微处理器以两种不同的方式执行地址转换，这两种方式分别称为实模式（real mode）和保护模式（protected mode）。我们将从下一节开始描述保护模式下的地址转换。实模式存在的主要原因是要维持处理器与早期模型兼容，并让操作系统自举（参阅附录一中针对实模式的简短描述）。

 

＊段选择符和段寄存器

一个逻辑地址由两部分组成：一个段标识符和一个指定段内相对地址的偏移量。段标识符是一个16 位长的字段，称为段选择符（Segment Selector）如图2-2 所示，而偏移量是一个32 位长的字段。我们将在本章“快速访问段描述符”一节描述段选择符字段。

为了快速方便地找到段选择符，处理器提供段寄存器，段寄存器的唯一目的是存放段选择符。这些段寄存器称为cs，ss，ds，es，fs 和gs。尽管只有6 个段寄存器，但程序可以把同一个段寄存器用于不同的目的，方法是先将其值保存在内存中，用完后再恢复。

6 个寄存器中3 个有专门的用途：

cs 代码段寄存器，指向包含程序指令的段。

ss 栈段寄存器，指向包含当前程序栈的段。

ds 数据段寄存器，指向包含静态数据或者全局数据段。

其他3 个段寄存器作一般用途，可以指向任意的数据段。

cs 寄存器还有一个很重要的功能：它含有一个两位的字段，用以指明CPU 的当前特权级（Current Privilege Level，CPL）。值为0 代表最高优先级，而值为3 代表最低优先级。Linux 只用0 级和3 级，分别称之为内核态和用户态。

 

＊段描述符

每个段由一个8 字节的段描述符（Segment Descriptor）表示，它描述了段的特征。段描述符放在全局描述符表（Global Descriptor Table ,GDT）或局部描述符表（Local Descriptor Table ，LDT）中。

通常只定义一个GDT，而每个进程除了存放在GDT 中的段之外如果还需要创建附加的段，就可以有自己的LDT。GDT在主存中的地址和大小存放在gdtr 控制寄存器中，当前正被使用的LDT 地址和大小放在ldtr 控制寄存器中。

图2-3 阐明了段描述符的格式；表2-1 解释了图中各个字段的含义

 

表2-1：段描述符字段

字段名	描述
Base	包含段的首字节的线性地址
G	粒度标志：如果该位清0，则段大小以字节为单位，否则以4096 字节的倍 数计
Limit	存放段中最后一个内存单元的偏移量，从而决定段的长度。如果G 被置为 0，则一个段的大小在1 个字节到1MB 之间变化；否则，将在4KB 到4GB 之间变化
S	系统标志：如果它被清0，则这是一个系统段，存储诸如LDT 这种关键的 数据结构，否则它是一个普通的代码段或数据段
Type	描述了段的类型特征和它的存取权限（请看表下面的描述）
DPL	描述符特权级（Descriptor Privilege Level）字段：用于限制对这个段的存 取。它表示为访问这个段而要求的CPU 最小的优先级。因此，DPL 设为0 的段只能当CPL 为0 时（即在内核态）才是可访问的，而DPL 设为3 的段 对任何CPL 值都是可访问的
P	Segment-Present 标志：等于0 表示段当前不在主存中。Linux 总是把这个 标志（第47 位）设为1，因为它从来不把整个段交换到磁盘上去
D 或B	称为D 或B 的标志，取决于是代码段还是数据段。D 或B 的含义在两种情 况下稍微有所区别，但是如果段偏移量的地址是32 位长，就基本上把它置 为1，如果这个偏移量是16 位长，它被清0（更详细的描述参见Intel 使用 手册）
AVL	标志可以由操作系统使用，但是被Linux 忽略

有几种不同类型的段以及和它们对应的的段描述符。下面列出了Linux 中被广泛采用的类型：

代码段描述符：表示这个段描述符代表一个代码段，它可以放在GDT或LDT 中。该描述符置S 标志为1（非系统段）。

数据段描述符

表示这个段描述符代表一个数据段，它可以放在GDT或LDT 中。该描述符置S 标志为1。栈段是通过一般的数据段实现的。

任务状态段描述符（TSSD）

表示这个段描述符代表一个任务状态段（Task State Segment，TSS），也就是说这个段用于保存处理器寄存器的内容（参见第三章中的“任务状态段”一节）。它只能出现在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。这个描述符的S 标志置为0。

 

 

 

＊快速访问段描述符

我们回忆一下：逻辑地址由16 位段选择符和32 位偏移量组成，段寄存器仅仅存放段选择符。

为了加速逻辑地址到线性地址的转换，80x86 处理器提供一种附加的非编程的寄存器（一个不能被程序员所设置的寄存器）, 供6 个可编程的段寄存器使用。每一个非编程的寄存器含有8 个字节的段描述符（在前一节已讲述），由相应的段寄存器中的段选择符来指定。每当一个段选择符被装入段寄存器时，相应的段描述符就由内存装入到对应的非编程CPU 寄存器。从那时起，针对那个段的逻辑地址转换就可以不访问主存中的GDT或LDT，处理器只需直接引用存放段描述符的CPU 寄存器即可。仅当段寄存器的内容改变时，才有必要访问GDT 或LDT（参见图2-4）。

 

表2-2 描述了任意段选择符所包含的3 个字段。

表2-2：段选择符字段

字段名	描述
index	指定了放在GDT或LDT中的相应段描述符的入口（在下面将作进一步的讲述）
TI	TI（（Table Indicator)标志：指明段描述符是在GDT 中（TI=0）或在LDT 中（TI=1）
RPL	请求者特权级：当相应的段选择符装入到cs 寄存器中时指示出CPU 当前 的特权级；它还可以用于在访问数据段时有选择地削弱处理器的特权级 （详情请参见Intel 文档）

 

由于一个段描述符是8 字节长，因此它在GDT 或LDT 内的相对地址是由段选择符的最高13 位的值乘以8 得到的。例如：如果GDT在0x00020000（这个值保存在gdtr寄存器中），且由段选择符所指定的索引号为2，那么相应的段描述符地址是0x00020000 + （2 × 8),或 0x00020010。

GDT的第一项总是设为0。这就确保空段选择符的逻辑地址会被认为是无效的，因此引起一个处理器异常。能够保存在GDT 中的段描述符的最大数目是8191，即213-1。

 

 

＊分段单元

图2-5详细显示了一个逻辑地址是怎样转换成相应的线性地址的。分段单元（segmentationunit）执行以下操作：

. 先检查段选择符的TI字段，以决定段描述符保存在哪一个描述符表中。TI字段指明描述符是在GDT 中（在这种情况下，分段单元从gdtr 寄存器中得到GDT的线性基地址）还是在激活的LDT中（在这种情况下，分段单元从ldtr寄存器中得到LDT 的线性基地址）。

. 从段选择符的index 字段计算段描述符的地址，index 字段的值乘以8（一个段描述符的大小），这个结果与gdtr 或ldtr 寄存器中的内容相加。

. 把逻辑地址的偏移量与段描述符Base 字段的值相加就得到了线性地址。

 

请注意，有了与段寄存器相关的不可编程寄存器，只有当段寄存器的内容被改变时才需要执行前两个操作。