GDT 全局描述表

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2023-12-01

归功于GRUB，你的内核不再是 real mode(实模式)，而是处于protected mode（保护模式），该模式允许我们使用微处理器的所有能力，比如虚拟内存管理，分页，安全的多任务。

GDT 是什么？

GDT ("Global Descriptor Table" 全局描述表) 是一个用来定义不同内存区的数据结构，其包括:基地址，大小，访问特权（比如执行和写），这些区域被称为 "segments（段）"。

我们将使用GDT定义不同的内存段：

为了保留作者的原义，保留了该段原文

"code": kernel code, used to stored the executable binary code
"data": kernel data
"stack": kernel stack, used to stored the call stack during kernel execution
"ucode": user code, used to stored the executable binary code for user program
"udata": user program data
"ustack": user stack, used to stored the call stack during execution in userland

中文解释

"code": 内核代码，用来存储可执行二进制代码
"data": 内核数据
"stack": 内核栈，用来存储内核执行的调用栈
"ucode": 用户代码，用来存储用户可执行程序的二进制代码
"udata": 用户程序数据
"ustack": 用户栈，用来存储用户态执行的调用栈

如何加载GDT?

GRUB初始化一个GDT，但这个GDT不属于我们的内核。 GDT是使用 LGDT(加载全局描述符) 汇编指令加载的。 LGDT需要一个GDT描述结构的位置。

全局描述符表寄存器GDTR
GDTR寄存器中用于存放全局描述符表GDT的32位的线性基地址和16位的表限长值。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。

全局描述符表寄存器(GDTR)：

GDTR

C 结构体:

struct gdtr {
    u16 limite;
    u32 base;
} __attribute__ ((packed));

注意: 指令 __attribute__ ((packed)) 用来告诉gcc，该结构体应该在内存中紧凑排布。没有该指令，gcc将包含一些用来优化执行期间访问内存对齐的字节。

现在我们需要定义我们自己的GDT，然后使用LGDT加载它。GDT可以被放在内存的任何位置，那么当程序员通过段寄存器来引用一个段描述符时，CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，所以Intel的设计者门提供了一个寄存器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。

GDT table 是如下段描述符结构体组成的数组：

GDTR

C 结构体:

struct gdtdesc {
    u16 lim0_15;
    u16 base0_15;
    u8 base16_23;
    u8 acces;
    u8 lim16_19:4;
    u8 other:4;
    u8 base24_31;
} __attribute__ ((packed));

如何定义我们的GDT table?

我们应该在内存中定义我们的GDT，然后使用 LGDT指令加载到GDTR寄存器。

我们将GDT存储在内存如下地址:

#define GDTBASE    0x00000800

x86.cc 中的函数 init_gdt_desc 初始化一个GDT段描述符：

void init_gdt_desc(u32 base, u32 limite, u8 acces, u8 other, struct gdtdesc *desc)
{
    desc->lim0_15 = (limite & 0xffff);
    desc->base0_15 = (base & 0xffff);
    desc->base16_23 = (base & 0xff0000) >> 16;
    desc->acces = acces;
    desc->lim16_19 = (limite & 0xf0000) >> 16;
    desc->other = (other & 0xf);
    desc->base24_31 = (base & 0xff000000) >> 24;
    return;
}

函数 init_gdt 初始化GDT，下面涉及的其它函数后面将做解释，主要是用来多任务。

void init_gdt(void)
{
    default_tss.debug_flag = 0x00;
    default_tss.io_map = 0x00;
    default_tss.esp0 = 0x1FFF0;
    default_tss.ss0 = 0x18;

    /* initialize gdt segments */
    init_gdt_desc(0x0, 0x0, 0x0, 0x0, &kgdt[0]);
    init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0x9B, 0x0D, &kgdt[1]);    /* code */
    init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0x93, 0x0D, &kgdt[2]);    /* data */
    init_gdt_desc(0x0, 0x0, 0x97, 0x0D, &kgdt[3]);        /* stack */

    init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0xFF, 0x0D, &kgdt[4]);    /* ucode */
    init_gdt_desc(0x0, 0xFFFFF, 0xF3, 0x0D, &kgdt[5]);    /* udata */
    init_gdt_desc(0x0, 0x0, 0xF7, 0x0D, &kgdt[6]);        /* ustack */

    init_gdt_desc((u32) & default_tss, 0x67, 0xE9, 0x00, &kgdt[7]);    /* descripteur de tss */

    /* 初始化全局描述符表寄存器gdtr结构体 */
    kgdtr.limite = GDTSIZE * 8;
    kgdtr.base = GDTBASE;

    /* 将kgdt数组 拷贝到了 起始地址为 GDTBASE 的内存区 */
    memcpy((char *) kgdtr.base, (char *) kgdt, kgdtr.limite);

    /* 加载到GDTR寄存器 */
    asm("lgdtl (kgdtr)");

    /* initiliaz the segments */
    asm("   movw $0x10, %ax    \n \
            movw %ax, %ds    \n \
            movw %ax, %es    \n \
            movw %ax, %fs    \n \
            movw %ax, %gs    \n \
            ljmp $0x08, $next    \n \
            next:        \n");
}

译者注：