從零開始寫 OS 內核 - 全局描述符表 GDT

系列目錄

• 序篇
• 準備工做
• BIOS 啓動到實模式
• GDT 與保護模式
• 虛擬內存初探
• 加載並進入 kernel
• 顯示與打印
• 全局描述符表 GDT
• 中斷處理
• 虛擬內存完善
• 實現堆和 malloc
• 建立第一個內核線程
• 多線程運行與切換
• 鎖與多線程同步
• 進程的實現
• 進入用戶態
• 一個簡單的文件系統
• 加載可執行程序
• 系統調用的實現
• 鍵盤驅動
• 運行 shell

擴展並重載 GDT

本篇咱們將在 kernel 中從新定義並擴展全局描述符表 GDT，並再次加載它。本篇的內容也會比較簡單，更多的是對 x86 相關手冊文檔的查閱和熟悉。

GDT 在 loader 階段咱們已經初步定義並加載過一次，在那裏咱們只定義了 kernel 的 code 和 data 段，由於到目前爲止，以及在後面至關長的一段時間裏，咱們始終處於 kernel 空間中，以 CPU 特權級 0 進行運行。可是做爲一個 OS，最終是要運行並管理用戶程序的，所以 GDT 中還須要加入用戶態的 code 和 data 段。

另外咱們也但願對前面的 GDT 從新整理一下，畢竟在彙編下比較混亂，不少數據結構管理起來不清晰。

GDT 代碼

GDT 以及 segment 相關的知識，是 x86 體系架構的歷史遺留產物，很是使人討厭。可是 Intel 爲了歷史兼容，又不得不始終保留這些歷史包袱。咱們也沒必要花太多心思和腦筋在這上面，只要按照文檔規範，把該填都填了，該寫的都寫了，輕輕帶過就能夠了。它並非咱們項目的核心部分。

按慣例，先給出代碼連接，主要源文件是 src/mem/gdt.c。

關於 GDT 的文檔，你能夠參考這裏。

首先咱們須要定義 GDT entry 的數據結構：

struct gdt_entry {
  uint16 limit_low;
  uint16 base_low;
  uint8  base_middle;
  uint8  access;
  uint8  attributes;
  uint8  base_high;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_entry gdt_entry_t;

它對應的是這樣一個 64 bit 的結構：

其中 base 是指 segment 的內存基址，limit 則是長度，它能夠有 1 或者 4KB 兩種單位。

其他部分則是圖二中展現的一些標誌比特位，這裏就很少費筆墨了，仍是要對着文檔仔細校對。

而後咱們定義 GDT 表：

static gdt_entry_t gdt_entries[7];

咱們這裏分配了 7 個 entry：

• 第 0 項保留；
• 第一個是 kernel 的 code segment；
• 第二個是 kernel 的 data segment；
• 第三個是 video segment，這個不是必須的，能夠無視；
• 第四個是 user 的 code segment；
• 第五個是 user 的 data segment；
• 第六個是 tss；

從第四個開始，都是用戶態須要用到的。其中第六個 tss 目前沒必要深究，後面進入用戶態時咱們會回過來再細看這部分。

而後咱們定義設置 GDT entry 的函數：

static void gdt_set_gate(
    int32 num, uint32 base, uint32 limit, uint8 access, uint8 flags) {
  gdt_entries[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_low = (base & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
  gdt_entries[num].access = access;
  gdt_entries[num].attributes = (limit >> 16) & 0x0F;
  gdt_entries[num].attributes |= ((flags << 4) & 0xF0);
  gdt_entries[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;
}

對照着上面那幅圖看就能夠了。

將 GDT 表中的這些 entry 都設置上：

// kernel code
  gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // kernel data
  gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // video: only 8 pages
  gdt_set_gate(3, 0, 7, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

  // user code
  gdt_set_gate(4, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // user data
  gdt_set_gate(5, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

對比 kernel 和 user 部分的差異，主要是兩點：

• Access Byte 中的 Privl：一共兩個 bit 位，對 kernel 來講它是 00，而對 user 則是 11，它的含義是 DPL (Descriptor Privilege Level)，表明的是訪問這個 segment 須要的最小 CPU 特權級。

• Limit：由於用戶空間限制在了 3GB 如下，因此它的 Limit 是 0xBFFFF，注意 Flags 的 Gr (Granularity) 位是 1，因此 Limit 的 單位是 4KB，能夠計算獲得 (0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB；

有了這兩點限制，當 CPU 處於用戶態時，它就沒法訪問 3GB 以上的 kernel 空間，這樣 segment 機制的做用就發揮出來了。