x86系统中段选择器的详细信息

Question

我正在研究x86系统的保护环。

在这张图中，有段选择器。 我的问题是...

1. 段选择器位于 RAM 中？
2. 谁创建段选择器？自动？
3. 一个段可以有多个段选择器？
4. 段选择器和段寄存器之间的关系？
5. 这种结构（即分页分段、段选择器……）在现代系统中使用吗？

谢谢。

Answer 1

我将尝试用尽可能简单的术语来解释这一点。

全局描述符表 (GDT)

GDT 是操作系统在内存中建立的一个表，其中包含描述符。它们有两种类型：段描述符和系统描述符（定义内存中各种操作系统的重要结构）。

段描述符

段描述符简单地定义了段。本质上，段设置了内存的基础。例如，诸如

[ebx]

之类的内存访问将与

DS

描述的段基数相关（或者您可以显式指定段寄存器，例如

[es:ebx]

）。段描述符具有 this 格式。

段选择器

段选择器只是 GDT 中的 索引。它们具有特定的格式，其中最后 3 位用于其他目的（第 2 位是表指示符，而第 1-0 位是请求的特权级别）。只有位 15-3 描述了实际索引。例如，如果将

DS

设置为

0x20

，这意味着 GDT 中的索引 4（从 0 开始）。

段寄存器

段寄存器（

CS

、

DS

、

ES

、

FS

、

GS

和

SS

）旨在在使用时存储这些选择器。但是，当它们不使用时，可以将它们存储在内存中或任何其他地方。

段描述符是如何创建的？

如前所述，段描述符是GDT的一部分，由操作系统创建。段选择器（通常）由操作系统提供给应用程序。如果需要，应用程序可以自由设置自己的选择器，只要相应的描述符存在并且可以访问（在现代操作系统中几乎从来不会出现这种情况）。

可以有多个段选择器吗？

一个人可以而且总是有多个选择器。这是因为

CS

必须引用代码段描述符，而其他所有内容都是数据段描述符。

现代系统的细分

在 x86 上无法禁用分段，但它可以……嗯……绕过。通过将所有描述符设置为基数 0 和 4GiB 限制，您基本上可以绕过分段的所有优点和缺点。

所有现代系统都使用分页来实现内存保护。然而，分段仍然是必需的，因为它强制执行特权级别。 GDT中的每个描述符都有一个DPL（描述符特权级别）字段。这就是强制实施所谓的特权环的原因。如果用户模式应用程序有权访问 Ring 0 选择器，它就可以执行特权指令并绕过所有保护机制，包括分页。

除此之外，还有一些对操作系统至关重要的系统结构（使用系统描述符在 GDT 中定义），例如任务状态段 (TSS)。例如，TSS 可确保当发生从 Ring 3 到 Ring 0 的任何转换时，堆栈 (

SS:ESP

) 会切换到众所周知的内核堆栈，因为用户模式堆栈不可信。