保護(hù)機(jī)制是多任務(wù)環(huán)境和系統(tǒng)能夠運(yùn)行的一種基礎(chǔ)，它能夠保護(hù)任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，免受其他任務(wù)的干擾。在 80x86 設(shè)計(jì)中，在分頁(yè)機(jī)制和分段機(jī)制下使用了保護(hù)機(jī)制。例如分段過(guò)程中有虛擬內(nèi)存的保護(hù)，能夠保證應(yīng)用程序在訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)不同的任務(wù)下不會(huì)相互干擾；另外還有段和寄存器之間的保護(hù)，通過(guò)定義優(yōu)先級(jí)來(lái)判斷應(yīng)用程序是否具有訪(fǎng)問(wèn)指定段和寄存器的權(quán)限，而分頁(yè)里面由于有頁(yè)目錄和頁(yè)表結(jié)構(gòu)的存在，這個(gè)結(jié)構(gòu)中有 R/W 和 U/S 位，也可以提供訪(fǎng)問(wèn)和寫(xiě)入保護(hù)。

下面我們就來(lái)詳細(xì)聊一下保護(hù)機(jī)制，即分段對(duì)應(yīng)段級(jí)保護(hù)，分頁(yè)對(duì)應(yīng)頁(yè)級(jí)保護(hù)。

段級(jí)保護(hù)

在保護(hù)模式下，80x86 提供了段級(jí)保護(hù)和頁(yè)級(jí)保護(hù)。這種保護(hù)機(jī)制根據(jù)特權(quán)級(jí)提供對(duì)段和頁(yè)的訪(fǎng)問(wèn)能力，段保護(hù)是 Level-4 級(jí)保護(hù)，頁(yè)保護(hù)是 Level-2 級(jí)保護(hù)。操作系統(tǒng)代碼和數(shù)據(jù)存放在要比普通應(yīng)用程序具有高特權(quán)級(jí)的段中。此后處理器的保護(hù)機(jī)制將會(huì)限制應(yīng)用程序按照指定特權(quán)級(jí)的權(quán)限來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。

使用保護(hù)機(jī)制時(shí)，每個(gè)內(nèi)存引用都會(huì)被檢查用來(lái)驗(yàn)證內(nèi)存引用的保護(hù)要求，如果符合內(nèi)存保護(hù)要求的話(huà)，就會(huì)執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換操作，這種檢查 - 執(zhí)行的操作很像我們平常寫(xiě)代碼的（下述為偽代碼）

if(expression){
??...
}else{
??...
}

檢查和執(zhí)行操作是同時(shí)進(jìn)行的，因此性能不會(huì)受到太多影響。

說(shuō)到保護(hù)機(jī)制的檢查，下面共有幾種檢查方式：

段限長(zhǎng)檢查；

段類(lèi)型檢查；

特權(quán)級(jí)檢查；

可尋址范圍限制；

過(guò)程入口點(diǎn)限制；

指令集限制。

如果違反上面任意一種檢查操作都將導(dǎo)致一個(gè)異常產(chǎn)生，下面我們就來(lái)具體聊一下這些檢查機(jī)制都是干什么的。

段限長(zhǎng)檢查

還記得段描述符嗎？這段描述能夠比較形象的說(shuō)明段描述符的作用：

段描述符是 GDT 和 LDT 表中的一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，用于向處理器提供有關(guān)一個(gè)段的位置和大小信息以及訪(fǎng)問(wèn)控制的狀態(tài)信息。

段描述符能夠向處理器提供段的位置和大小等相關(guān)信息，每個(gè)段都由段基址（BASE）、段界限（LIMIT）和段屬性組成，這表明段是有限制的。

段限長(zhǎng)檢查也就是對(duì)段界限/段限長(zhǎng)進(jìn)行 Limit 檢查，它會(huì)限制應(yīng)用程序防止其尋址到段外內(nèi)存位置。段限長(zhǎng)的有效值會(huì)依賴(lài)于顆粒度標(biāo)志 G 的設(shè)置狀態(tài)，如果是數(shù)據(jù)段的話(huà)，段限長(zhǎng)還與 E 標(biāo)志（擴(kuò)展方向）、B 標(biāo)志（默認(rèn)棧指針大小/上界限）有關(guān)。

顆粒度標(biāo)志 --- G

這個(gè)字段用于確定段限長(zhǎng)字段 Limit 值的單位，如果顆粒度標(biāo)志為 0 ，則段限長(zhǎng)值的單位是字節(jié)；有效范圍是 20 位段描述符中段限長(zhǎng)字段 Limit 的值，Limit 的范圍從 0 - 0xFFFFF（1MB）。

如果設(shè)置了顆粒度標(biāo)志，則段限長(zhǎng)使用 4KB 單位，這時(shí)候 Limit 需要乘以顆粒度標(biāo)志，有效范圍是從 0 - 0xFFFFFFFF（4GB）。

這里需要注意：段偏移地址的低 12 位不會(huì)進(jìn)行 Limit 檢查。

擴(kuò)展方向 --- E

段有兩種擴(kuò)展方式，一種是向上擴(kuò)展，一種是向下擴(kuò)展。根據(jù)擴(kuò)展方向 E 的不同，處理器會(huì)以不同的方式使用數(shù)據(jù)段；對(duì)于向上擴(kuò)展的數(shù)據(jù)段（簡(jiǎn)稱(chēng)上擴(kuò)段），邏輯地址中的偏移范圍從 0 - 段限長(zhǎng) Limit 。大于 Limit 的偏移值會(huì)產(chǎn)生異常；對(duì)于向下擴(kuò)展的數(shù)據(jù)段，段限長(zhǎng) Limit 的含義相反。根據(jù)默認(rèn)棧指針大小標(biāo)志 B 的設(shè)置，偏移范圍可從段限長(zhǎng) Limit 到 0xFFFFFFFF 或 0xFFF。而小于段限長(zhǎng) Limit 的偏移值會(huì)產(chǎn)生一般性保護(hù)異常。對(duì)于下擴(kuò)段來(lái)說(shuō)，減小段限長(zhǎng)字段中的值會(huì)在該段地址空間底部分配新的內(nèi)存。由于 80x86 是向下擴(kuò)展的，因此這種方式很適合擴(kuò)展堆棧。

D/B --- 默認(rèn)操作大小/默認(rèn)棧指針大小和/或上界限 ?Default operation size/default stack pointer size and/or upper bound

根據(jù)段描述符表示的是可執(zhí)行代碼段、下擴(kuò)數(shù)據(jù)段還是堆棧段，這個(gè)標(biāo)志具有不同的功能（如果是 32 位，這個(gè)標(biāo)志應(yīng)該設(shè)置為 1，16 位應(yīng)該設(shè)置為 0 ）。如果是可執(zhí)行代碼段時(shí)，這個(gè)標(biāo)志是 D 標(biāo)志；如果是棧段和下擴(kuò)數(shù)據(jù)段，這個(gè)標(biāo)志是 B 標(biāo)志；

除了下擴(kuò)數(shù)據(jù)段以外的所有類(lèi)型，有效 Limit 的值是段中允許被訪(fǎng)問(wèn)的最后一個(gè)地址，它比段長(zhǎng)度小 1 個(gè)字節(jié)。任何超出段限長(zhǎng)字段指定的有效地址范圍都將產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)性異常。

對(duì)于下擴(kuò)數(shù)據(jù)段來(lái)說(shuō)，段限長(zhǎng)具有同樣的功能，但是其含義不同。段限長(zhǎng)指定了段中最后一個(gè)不允許訪(fǎng)問(wèn)的地址，因此在設(shè)置了 B 標(biāo)志的情況下，有效偏移范圍是從（有效段偏移 + 1）到 0xFFFF FFFF；當(dāng) B 清零時(shí)，有效地址范圍從（有效段偏移 + 1）到 0xFFFF 。當(dāng)下擴(kuò)段段限長(zhǎng)為 0 時(shí)，段會(huì)有最大長(zhǎng)度。

除了對(duì)段限長(zhǎng)進(jìn)行檢查，處理器還會(huì)檢查段描述符表的長(zhǎng)度。GDTR、IDTR、LDTR 寄存器中包含有 16 位的段限長(zhǎng)，處理器用它來(lái)防止程序在描述符表外面選擇描述符。描述符表的限長(zhǎng)值指明了表中最后一個(gè)有效字節(jié)。因?yàn)槊總€(gè)描述符是 8 字節(jié)，因此含有 N 個(gè)描述符項(xiàng)的表應(yīng)具有的限長(zhǎng)值為 8N - 1。

段類(lèi)型 TYPE 檢查

除了應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)段有描述符之外，處理器還有系統(tǒng)段和門(mén)兩種描述符類(lèi)型。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于管理任務(wù)以及異常和中斷。但是并非所有的描述符都定義一個(gè)段。段描述符在結(jié)構(gòu)中的 S 標(biāo)志和類(lèi)型字段 TYPE 含有類(lèi)型信息。處理器利用這些信息對(duì)由于非法使用段或門(mén)導(dǎo)致的編程錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)操作段選擇子和段描述符時(shí)，處理器會(huì)隨時(shí)檢查類(lèi)型信息。主要在以下兩種情況下檢查類(lèi)型信息：

當(dāng)一個(gè)描述符的選擇子加載進(jìn)一個(gè)段寄存器中。此時(shí)某些段寄存器只能存放特定類(lèi)型的描述符，比如

CS 寄存器中只能被加載進(jìn)一個(gè)可執(zhí)行段的選擇子；

不可讀可執(zhí)行段的選擇子不能被加載進(jìn)數(shù)據(jù)段寄存器中；

只有可寫(xiě)數(shù)據(jù)段的選擇子才能被加載進(jìn) SS 寄存器中。

當(dāng)指令訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)段，而且該段的描述符已經(jīng)加載進(jìn)段寄存器中。指令只能使用某些預(yù)定義的方法來(lái)訪(fǎng)問(wèn)某些段

任何指令不能寫(xiě)一個(gè)可執(zhí)行段；

任何指令不能寫(xiě)一個(gè)可寫(xiě)位沒(méi)有置位的數(shù)據(jù)段；

任何指令不能讀一個(gè)可執(zhí)行段，除非可執(zhí)行段設(shè)置了可讀標(biāo)志。

特權(quán)級(jí)

處理器的保護(hù)機(jī)制有四個(gè)級(jí)別，之前也聊過(guò)了，這四個(gè)級(jí)別從 0 -> 3 依次降低，數(shù)值越大，特權(quán)級(jí)越小。下圖是特權(quán)級(jí)的四個(gè)級(jí)別。

在上圖中，Level-0 位于最內(nèi)側(cè)，這一層是內(nèi)核層，由內(nèi)核代碼、數(shù)據(jù)和堆棧組成，由操作系統(tǒng)的內(nèi)核訪(fǎng)問(wèn)；Level-0 的外環(huán)是 Level-1 和 Level-2 層，這兩層就是由操作系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)的邏輯層，最外層是 Level-3 層，由應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)。

處理器會(huì)利用特權(quán)級(jí)來(lái)防止運(yùn)行在較低特權(quán)級(jí)的程序或任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)具有較高特權(quán)級(jí)的段，也就是具有特權(quán)級(jí)為 Level 1-3 的不能訪(fǎng)問(wèn) Level - 0 特權(quán)級(jí)，而 Level-0 特權(quán)級(jí)可以訪(fǎng)問(wèn) Level 1 - 3 ，當(dāng)處理器檢測(cè)到一個(gè)違反特權(quán)級(jí)的操作時(shí)，會(huì)觸發(fā)一個(gè)一般保護(hù)性異常。

這個(gè)好理解，正如你領(lǐng)導(dǎo)的辦公室你沒(méi)有權(quán)限隨便進(jìn)一樣，要是給你權(quán)限那不就麻煩了嗎？萬(wàn)一領(lǐng)導(dǎo)正在教訓(xùn)女員工讓你碰到了可咋整？相反的情況，領(lǐng)導(dǎo)可以隨便進(jìn)任何一個(gè)人的屋子，難道領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)你們小開(kāi)發(fā)的屋子還先敲門(mén)申請(qǐng)？那領(lǐng)導(dǎo)不是永遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)不了你在摸魚(yú)嗎？

處理器能夠識(shí)別的特權(quán)級(jí)有三種：

當(dāng)前特權(quán)級(jí) CPL（Current Priviledge Level），這個(gè)是當(dāng)前正在執(zhí)行程序或任務(wù)的特權(quán)級(jí)。它一般會(huì)存放在 CS 寄存器中，也有可能存放在 SS 寄存器中。通常 CPL 等于當(dāng)前代碼段的特權(quán)級(jí)。當(dāng)程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)具有不同特權(quán)級(jí)的代碼段中時(shí)，處理器就會(huì)改變 CPL 。

描述符的特權(quán)級(jí) DPL（Descriptor Priviledge Level），DPL 表示段描述符/門(mén)描述符的特權(quán)級(jí)，存儲(chǔ)在段描述符的 DPL 字段中，當(dāng)前代碼想要訪(fǎng)問(wèn)段描述符時(shí)，段描述符的 DPL 會(huì)和當(dāng)前代碼段的 CPL 以及段選擇子的 RPL（下面會(huì)說(shuō)明）進(jìn)行比較，由于段描述符有不同的類(lèi)型，所以需要分情況討論：

如果是數(shù)據(jù)段（Data Segment），DPL 只能允許比它自己特權(quán)級(jí)大的代碼段訪(fǎng)問(wèn)，也就是說(shuō)如果 DPL = 1，那么只有當(dāng)前代碼段等于 0 和 1 才能訪(fǎng)問(wèn)。

非一致性代碼段（Nonconforming code segment），我在學(xué)到這里的時(shí)候比較疑惑，什么叫做非一致代碼段，難道還有一致性代碼段？我查閱資料后發(fā)現(xiàn)果不其然，一致性代碼段和非一致性代碼段是在段描述符中的 S 位進(jìn)行區(qū)分的，S = 0 表示系統(tǒng)，S = 1 表示代碼或數(shù)據(jù)。

當(dāng) S = 1 時(shí)，TYPE 中有四個(gè)二進(jìn)制位（位 8 - 位 11），位 8 -> 位 11 分別是 訪(fǎng)問(wèn)位、讀寫(xiě)位、一致位、執(zhí)行位 ，大家看到了嗎，這個(gè)是否表示一致性代碼是由這個(gè)位 10 一致位來(lái)判斷的。此位置 1 表示一致性代碼，為 0 表示非一致性代碼。

這里解釋下什么是一致性代碼和非一致性代碼：

一致性代碼就是操作系統(tǒng)拿出來(lái)可以共享的代碼段，可以被低特權(quán)級(jí)用戶(hù)直接調(diào)用訪(fǎng)問(wèn)的代碼；非一致性代碼是為了避免低特權(quán)級(jí)的訪(fǎng)問(wèn)而被操作系統(tǒng)保護(hù)起來(lái)的系統(tǒng)代碼。

如果某個(gè)非一致性代碼的 DPL = 0 ，那么只有 CPL 為 0 的程序才能夠訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)段。

調(diào)用門(mén)（Call Gate）（下述會(huì)討論），調(diào)用門(mén)的 DPL 指出訪(fǎng)問(wèn)調(diào)用門(mén)的當(dāng)前執(zhí)行程序或任務(wù)可處于的最大特權(quán)級(jí)數(shù)值。

一致性和非一致性代碼（通過(guò)調(diào)用門(mén)訪(fǎng)問(wèn)），其 DPL 指出允許訪(fǎng)問(wèn)代碼段的程序或任務(wù)具有的最小特權(quán)級(jí)數(shù)值。比如代碼段的特權(quán)級(jí)是 2，那么 CPL = 0 就不能訪(fǎng)問(wèn)。

任務(wù)狀態(tài)段 TSS，其 DPL 指出允許訪(fǎng)問(wèn) TSS 的當(dāng)前程序或任務(wù)具有的最大特權(quán)級(jí)數(shù)值。

請(qǐng)求特權(quán)級(jí) RPL （Request Privilege Level），RPL 是段選擇子的特權(quán)級(jí)，在段選擇子的位 0 和 位 1，如下圖所示

處理器會(huì)同時(shí)檢查 RPL 和 CPL 來(lái)確定是否允許訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)段。如果程序有足夠的 CPL 特權(quán)級(jí)，那么 RPL 特權(quán)級(jí)不夠的話(huà)也不能訪(fǎng)問(wèn)。也可以理解為 RPL 的高特權(quán)級(jí)會(huì)覆蓋 CPL 的低特權(quán)級(jí)。

訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)段時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查

訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)段時(shí)會(huì)進(jìn)行特權(quán)級(jí)檢查，數(shù)據(jù)段中的段選擇子會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)段寄存器和堆棧段寄存器中，數(shù)據(jù)段寄存器就四個(gè)，即 DS、ES、FS 或 GS，堆棧段寄存器就是 SS。

把段選擇子加載進(jìn)段寄存器的指令是 MOV、POP、LDS、LES、LFS、LGS 和 LSS。常見(jiàn)的就是 MOV 和 POP，一般記住這兩個(gè)就行。

通過(guò)加載指令把段選擇子加載進(jìn)段寄存器之前會(huì)進(jìn)行特權(quán)級(jí)檢查，特權(quán)級(jí)檢查會(huì)把當(dāng)前運(yùn)行程序的 CPL 、段選擇子 RPL 和段描述符的 DPL 進(jìn)行比較，如下圖所示。

只有當(dāng)段的 DPL >= CPU && RPL 時(shí)，處理器才會(huì)把段選擇子加載進(jìn)段寄存器中。否則就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一般性異常，并且不加載段選擇子。

另外，有可能會(huì)把數(shù)據(jù)保存在代碼段中。我們可以通過(guò)下面三種方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)代碼段中的數(shù)據(jù)：

把非一致可讀代碼段的段選擇子加載進(jìn)數(shù)據(jù)段寄存器中。

把一致可讀代碼段的選擇子加載進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)段寄存器中。

使用代碼段覆蓋前綴 CS 來(lái)讀取一個(gè)選擇子已經(jīng)在 CS 寄存器中的可讀代碼段。

在使用堆棧選擇子加載 SS 寄存器時(shí)也會(huì)執(zhí)行特權(quán)級(jí)檢查。這里和堆棧相關(guān)的特權(quán)級(jí)必須與 CPL 匹配。也就是 CPL 、堆棧選擇子的 RPL 和堆棧描述符的 DPL 相同，否則也會(huì)產(chǎn)生一般性保護(hù)異常。

在切換代碼段時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查

處理器會(huì)頻繁的執(zhí)行在不同代碼段之間的切換工作。對(duì)于將程序控制權(quán)從代碼段轉(zhuǎn)移到另一個(gè)代碼段時(shí)，目標(biāo)代碼段的段選擇子必須要先加載進(jìn)代碼段寄存器中。當(dāng)然在加載進(jìn)代碼段寄存器之前還需要進(jìn)行特權(quán)級(jí)檢查工作，emm 必要的工作不能少。

此時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查包括對(duì)段限長(zhǎng)、段類(lèi)型和特權(quán)級(jí)進(jìn)行檢查，檢查沒(méi)問(wèn)題后才會(huì)把目標(biāo)代碼段加載進(jìn) CS 寄存器，這樣就會(huì)把控制轉(zhuǎn)移權(quán)交給目標(biāo)代碼段，從 CS:EIP 處開(kāi)始執(zhí)行代碼。

把控制轉(zhuǎn)移權(quán)交給目標(biāo)代碼段固然是一句話(huà)就可以描述的事情，但是，，，如何才會(huì)使得控制權(quán)進(jìn)行轉(zhuǎn)移呢？一般有這幾種指令：JMP、CALL、RET、INT 和 IRET，除此之外，異常和中斷機(jī)制也是一種實(shí)現(xiàn)方式。

編輯：黃飛

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