X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（42）-第14章 任务和特权级保护（8）
本帖最后由 兰陵月 于 2017-12-15 12:19 编辑14.4 加载用户程序并创建任务
【14.4.1 任务控制块和TCB链】第832、833行是以传统的方式调用内核例程显示字符串。即使不通过调用门，特权检查也是照常进行的，而且更为严格。把控制从较低的特权级转移到较高的特权级，通过调用门尚有可能，但直接控制转移则在任何时候都是不允许的。当然，这两行是从0特权级的内核代码段进入同样0特权级的公共例程段，能够通过特权级检查。按照处理器的要求标准，要使一个程序成为“任务”，并且能够参与任务切换和调度，那不是简简单单就行的，必须要有LDT和TSS。而为了创建这两样东西，又需要更多的东西。所以，加载和执行用户程序的活儿，比起从前是麻烦了不少。加载程序并创建一个任务，需要用到很多数据，比如程序的大小、加载的位置，等等。当任务执行结束，还要依据这些信息来回收它所占用的内存空间。还有，多任务系统是个多个任务同时运行的，特别是在一个单处理器（核）的系统中，为了在任务之间切换和轮转，必须能追踪到所有正在运行的的任务，记录它们的状态，或者根据它们的当前状态来采取适当的操作（比如切换和轮转）。为了满足以上的要求，内核应当为每一个任务创建一个内存区域，来记录任务的信息和状态，称为任务控制块（Task Control Block,TCB）。任务控制块不是处理器的要求，是我们自己为了方便而发明的。如图14-013，这是任务控制块的结构，很明显，这里两种大小的方格，较窄的格子代表16位的数据宽度，即1个字；而较宽的格式代表32位数据的宽度，即2个字。
为了能够追踪到所有任务，应当把每个任务控制块TCB串起来，形成一个链表（链表是一种数据结构）。代码清单第414行，声明了标号tcb_chain并初始化为一个双字，初始的数值为零。实际上，它是一个指针，用来指向第一个任务的TCB线性基地址。当它为零时，表示任务的数量为0，也就是没有任务。在创建了第一个任务后，应当把该任务的TCB线性基地址填写到这里。每个TCB的第一个双字，也是一个双字长度的指针，用于指向下一个任务的TCB。如果该位置是零，表示后面没有任务，这是链上的最后一个任务；否则，它的数值就是下一个任务的TCB线性基地址。如图14-014所示，所有任务都按照被创建的先后顺序链接在一起，从tcb_chain开始，可以依次找到每一个任务。
第836~838行，用于分配创建TCB所需要的内存空间，并将其挂在TCB链上。当前版本的TCB结构需要0x46字节的内存空间。将新TCB追加到链表上的工作是由过程append_to_tcb_link来完成的，代码清单位于第735~772行，属于内核代码段的内部（近）过程，过程append_to_tcb_link的工作思路是遍历整个链表，找到最后一个TCB，在它的TCB指针域里填写新TCB的首地址。它需要用ECX作为传入的参数，ECX的内容应当为新TCB的线性地址。有个问题值得注意，链首指针tcb_chain是在内核数据段声明并初始化的，只能知道它在段内的偏移地址，而不知道它的线性地址，因此，只能通过内核数据段访问，而无法通过线性地址来访问；相反地，链上的每个TCB，其空间都是动态分配的，只能通过线性地址来访问。因此，在将两个段寄存器和两个通用寄存器压栈保护之后，第742~745行，令段寄存器DS指向内核数据段以读写链首指针tcb_chain，而ES指向整个4GB内存空间，用于遍历和访问每一个TCB。第747行，ECX是当前准备要添加的TCB表的线性基地址，段选择子表示0~4GB的数据段，它的线性基地址为0x00000000，所以ES:ECX的值实际上就是ECX寄存器里面的，ES:ECX+0x00实际上也是TCB的线性地址的首地址，将值0给这个地址。因此，当前准备要添加的TCB表的偏移0x00处的双字被赋值“0”。为何要赋值为“0”，因为当前要追加的TCB表肯定是链表上最后一个TCB，故其用于指向下一个TCB的指针域必须清零，以表明自己是链上最后一个TCB。每个TCB的空间都是动态分配的，其首地址都是线性地址，只能由段寄存器ES指向的0~4GB段来访问。第750行，将标号tcb_chain处指向的双字值传送给寄存器EAX；第751行，将EAX寄存器自己进行or操作，如果EAX为零，则标志寄存器ZF位置“1”，否则置“0”；第752行，判断标志寄存器EFLAGS的ZF是否为1，如果为1，则说明EAX值为“0”，说明标号tcb_chain指向的双字为“0”，说明这是一个空表，程序跳转到第763行，将当前要添加的TCB的线性地址填入标号tcb_chain指向的双字，第一个TCB添加完成；第752行，如果标志寄存器EFLAGS的ZF位不为“0”，则说明EAX不为“0”，说明标号tcb_chain指向的双字不为“0”，有一个线性地址值，因此程序来到第754行；第754行~第758行，搜寻最后一个TCB。第755行，将寄存器EAX的值传送给寄存器EDX，作为0~4GB段使用时作为偏移量。如果这是代码第一次运行，则EAX是标号tcb_chain指向处的双字值，它在第750行被指令赋值，如果这不是代码第一次运行，则EAX是上一个链表的指针域里的值（这个值指向下一个TCB，是下一个TCB的线性地址）；第756行，将EDX指向的TCB的指针域里第一个双字（指向下一个TCB）给寄存器EAX；第757行，将寄存器EAX作or操作；第758行，如果EAX为零，表明此次查到到的TCB就是最后一个TCB，如果EAX不为零，则会继续往下寻找，直到找到那个TCB的指针域为零才终止；第760行，将本次要添加的TCB线性地址放入上一个TCB表的指针域里。无论哪种情况，程序都会来到第767行；第767~770行，恢复现场；第772行，ret跳转返回调用者，这是一个近返回。
【14.4.2 使用栈传递过程参数】下面的工作是加载和重定位用户程序，依然是在过程load_relocate_program中进行。该过程需要传入两个参数，分别是用户程序的起始逻辑扇区号，以及它的任务控制块TCB线性地址。和上一章不同的是，参数不是用寄存器传入的，而是采用栈。事实上，这是更为流行和标准的做法。原因很简单，寄存器数量有限，况且还要再过程内部使用，当传入的参数很多时，栈是最好的选择。第840~843行，先以双字的长度将立即数50压入当前栈，这是用户程序的起始逻辑扇区号。在第10章里，我们已经知道push指令可以压入立即数。因此，在这里，压入到栈中的内容将是双字0x00000032（十进制数50）。接着，再压入当前任务控制块TCB的32位线性地址。最后进入过程load_relocate_program内部执行。过程位于第464行，是当前内核代码段的内部过程。第468行，将8个通用寄存器全部入栈保护；第470、471行，将段寄存器DS和ES入栈；第473行，栈顶指针ESP的值给EBP。相当于复制了ESP的值，这样就可以用EBP加偏移量来访问栈中的数据，也不会影响到栈；栈的访问有两种，一种是隐式的，由处理器在执行诸如push、pop、call、ret等指令时自动进行。隐式地访问栈需要使用栈指针寄存器ESP。另一种访问栈的方式不依赖于先进后出机制，而是把栈看成是一般的数据段，直接访问其中的任何内容。在这种方式下，需要使用栈基址寄存器EBP。这里有个例子，比如，从栈中读取一个双字，该数据在栈中的偏移量是由EBP寄存器指向的：mov edx,，在32位模式下，处理器执行这条指令时，用段寄存器SS描述符高速缓存器中的32位基地址，加上EBP寄存器提供的32位偏移量，形成32位线性地址，访问内存取得一个双字，传送到EDX寄存器。很显然，用EBP寄存器来寻址时，不需要使用段超越前缀“SS:”，因为EBP寄存器出现在指令中的地址部分时，默认使用段寄存器SS。如图14-015所示，这是用ESP寄存器的内容初始化EBP后，栈的状态。
当前栈顶的位置是SS:EBP，指向一个双字，是段寄存器ES的内容，因为最近一次的压栈操作是push es。在32位模式下，访问栈用的是栈指针寄存器ESP，而且，每次栈操作的默认操作数大小是双字。处理器在执行压栈指令时，如果发现指令的操作数是段寄存器（CS、SS、DS、ES、FS、GS），那么，将先执行一个内部的零扩展操作，将段寄存器中的16位值扩展成32位，高16位是全零，然后再执行压栈操作。当然，出栈指令pop会执行相反的操作，将32位的值截短为16位，并传送到相应的段寄存器。相应地，SS:EBP+4的位置是段寄存器DS的压栈值。因为栈是向下推进的，故较早压入的内容反而位于高地址方向，回溯它们需要增加EBP的值。从SS:EBP+8的位置开始，是pushad指令压入的8个双字，其中就包括EBP在压栈时的原始内容。再往上，是调用者的返回地址。因为load_relocate_program是一个内部过程，是用32位相对近调用（第843行）进入的，故只压入了EIP的内容，而没有压入段寄存器CS的内容。栈中的第11个双字（从0开始算起）是TCB线性地址，其在栈中的位置是SS:EBP+11×4。同样我们也可以看到，用户程序起始逻辑扇区号在栈中的位置是SS:EBP+12×4。
【14.4.3 加载用户程序】当用户程序被读入内存，并处于运行或者等待运行的状态时，就视为一个任务。任务有自己的代码段和数据段（包括栈），这些段必须通过描述符来引用，而这些描述符可以放在GDT中，也可以放在任务自己私有的LDT中，但最好是放在LDT中。GDT用于存放各个任务公有的描述符，比如公共的数据段和公共例程。每个任务都允许有自己的LDT，而且可以定义在任何内存位置。所以，我们现在要做三件事情：（1）分配一块内存，作为LDT来用，为创建用户程序各个段的描述符做准备；（2）将LDT的大小和起始线性地址登记在任务控制块TCB中；（3）分配内存并加载用户程序，并将它的大小和起始线性地址登记到TCB中。第475、476行，令段寄存器ES指向4GB内存段；第478行，从图14-015中我们可以看到EBP+11×4指向TCB的线性基地址。将该TCB的线性基地址的值给寄存器ESI；第481行，开始申请创建一个LDT所需要的内存，我们的用户程序很简单，不会划分太多的段，所以要创建的大小为160个字节，每个LDT描述符的长度为8个字节，所以160个字节可以放置20个描述符，应当足够了。将其数值传送给寄存器ECX；第482行，调用allocate_memory创建一个内存区域，创建完毕之后，寄存器ECX会返回所创建的内存区域的首地址；第483行，ESI的内容在第478行被赋值为TCB的线性基地址，因此ES:ESI指向TCB表的线性基地址，从图14-013可以看出，ES:ESI+0x0C指向LDT的线性基地址。ECX寄存器在第482行过程返回后被赋值LDT的线性基地址，此行指令将LDT的线性基地址值填入到TCB中；第484行，ES:ESI+0x0A指向LDT的当前界限值，这里将初始的界限值0xFFFF填入TCB表中该处。为何是0xFFFF呢？和GDT一样，界限值是表的总字节数减1，因为我们刚创建LDT，总字节数为0，所以，当前的界限值应当是16位的0-16位的1，结果就是0xFFFF。第487行~第500行，先将用户程序头部读入内核缓冲区中，根据它的大小决定分配多少内存。具体的方法和上一章一样，唯一不同的是调用过程sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0之前，用户程序的起始逻辑扇区号是从栈中取得的。第487、488行，令段寄存器DS指向内核数据段；第490行，从图14-015中可以看到，EBP+12×4指向压入的扇区号50，此处将其从栈中取出，传送给寄存器EAX；第491行，标号core_buff在程序第405行声明，是一个2M的缓冲区。标号core_buf指向缓冲区的首地址，将该首地址传送给寄存器EBX；第492行，近调用sys_routine_seg_sel:read_hard_disk_0过程，将用户程序的第一个扇区长度的内容加载到目标缓冲区。第495行，将标号core_buf指向的双字的值给寄存器EAX，此处的格式为：，这是用DS指向的段的基地址加上core_buf的汇编地址，得到最终的线性地址。DS寄存器在第488行已经指向内核数据段，所以标号core_buf的汇编地址即使缓冲区的首地址。对照用户程序文件，其第一个双字为程序总长度，此条执行之后，寄存器EAX中的值就是用户程序总长度数据；第496行，将该数据复制到寄存器EBX中；第497行，使寄存器EBX中的值与512对齐，即能够被512整除；第498行，EBX增加512，使EBX不仅能够被512整除，还能容纳原来的大小；第499行，测试EAX能否被512整除；第500行，如果EAX能够被512整除，则继续用原来EAX的值。如果不能被512整除，则将对齐了的能够被512整除的EBX中的值传送给寄存器EAX。第502行，经过上面的处理后，EAX中的值肯定能够被512整除，且肯定是加载用户程序实际需要申请的扇区数量长度，将EAX值传送给寄存器ECX，作为参数；第503行，远调用过程allocate_memory为用户程序分配内存，内存分配完毕后，返回的ECX中的值为分配好了的内存的首地址；第504行，将程序加载的基地址登记到TCB中，其偏移量为ES:ESI+0x06；第506行，将分配好了的内存首地址传送给寄存器EBX，第507行，寄存器EDX清零；第508行，ECX赋值512；第509行，ECX为被除数，EDX为零，EAX为能被512整除的字节数，进行32位除法，得到的商在EAX中，就是扇区数目，EDX中的值肯定是零；第510行，将商EAX的值（扇区总数）传送给寄存器ECX。第512、513行，令寄存器DS指向0~4GB数据段；第515行，从栈中取得用户程序的逻辑扇区号；第516~519行，读取全部用户程序，加载到内存中，加载的地址位置可以在TCB中偏移量为0x06地方找到。
【14.4.4 创建局部描述符表】用户程序已经被加载到内存中，现在该是在LDT中创建段描述符的时候了。第521行，从TCB中取得用户程序在内存中的基地址。第524~528行，构造用户程序头部段描述符，其中调用过程后，会在EDX:EAX中返回64位的段描述符。第531、532行用于调用另一个过程fill_descriptor_in_ldt把刚才创建的描述符安装到LDT中。fill_descriptor_in_ldt是当前内核代码段的内部（近）过程，位于第421行，用于在当前任务的LDT中安装描述符。它需要传入两个参数，一个是要安装的描述符，由EDX:EAX共同提供；另一个是当前任务控制块的基地址，由EBX寄存器提供。它用这个地址来访问TCB以获得LDT的基地址和当前的大小（界限值），并在安装描述符后更新LDT的界限值。第425~428行，执行例行的现场保护工作，将过程中用到的各个寄存器压栈保护；第430~433行，先使段寄存器DS指向4GB的内存段；然后，访问TCB，从中取出LDT的基地址传送到EDI寄存器。新描述符的线性地址可以用LDT的基地址加上LDT的总字节数得到。第435~440行，计算用于安装新描述符的线性地址，并把它安装到那里。在这里，ECX寄存器有两个相关联的用途，一个是在第439和440行寻址内存，以安装描述符；另一个是在第436、437行用于计算LDT的界限值是0xFFFF，加1之后，总大小是0x0000，进位部分要丢弃。对CX寄存器的操作不会影响到ECX寄存器的高16位。即使CX寄存器产生了进位，进位也会丢弃，而绝不会跑到ECX寄存器的高16位。
和GDT不同，LDT的0号槽位也是可用的。原因在于，其选择子的TI位是“1”，所以不可能会有一个全零的选择子指向LDT。这就是说，一个指向LDT的选择子代入段寄存器时，它不可能是因程序员粗心大意而未初始化的。第442、443行，将LDT的总大小（字节数）在原来的基础上增加8字节，再减去1，就是新的界限值。第445行，将这个新的界限值更新到TCB中。
第447~450行，将描述符的界限值除以8，余数丢弃不管，所得的商就是当前新描述符的索引号。第452~454行，将CX寄存器中的索引号逻辑左移3次，并将TI位置1，表示指向LDT，这就得到了当前描述符的选择子。第456~461行，恢复现场，返回调用者，回到第534行。过程fill_descriptor_in_ldt在LDT中安装描述符后，用CX寄存器返回一个选择子。第534~536行，用于将选择子的请求特权级RPL设置为3，登记到TCB，并回填到用户程序头部。在LDT中安装的描述符，通常只由用户程序自己使用，即，在请求访问这些段时，请求者是用户程序自己。因此，其选择子的RPL和用户程序的特权级始终一致。第539行，将程序加载基地址给EAX；第540行，将程序加载基地址加上用户程序代码段汇编地址，就得到了用户程序代码段的起始线性基地址，在EAX中；第541行，将代码段的长度值给EBX；第542行，段的长度值减去1，就是界限值。执行到这里，寄存器EBX中的值就是用户程序代码段的界限值；第543行，将段的属性值给ECX，可以看到，这是一个只允许执行的代码段，特权级3，字节为单位的32位段。第544行，调用过程构造描述符，返回在EDX:EAX中；第545行，将TCB的基地址给EBX；第546行，在LDT中再次安装本次构造好的描述符，返回选择子CX；第547行，把返回的选择子设置为特权级3；第548行，把选择子回填到用户程序头部偏移0x14处。第551~560行，构造用户程序数据段的描述符，并安装到LDT中，返回的选择子设置特权级3后，回填到用户程序头部偏移0x1C处；第563行，从用户程序头部0x0C处得到栈的倍率，传送给ECX；第564行，用0xFFFFF减去倍率，得到段界限值；第566行，将4096给EAX；第567行，乘以倍率，就是栈的实际大小（字节计算）；第568行，将要创建的栈的实际大小数给ECX，作为参数；第569行，为栈分配内存，返回值ECX为栈的低地址处；第570行，得到栈的高端物理地址；第571行，将栈的属性值给寄存器ECX；第572行，构造栈段的描述符，返回在EDX:EAX中；第573行，将ESI寄存器中的值（也就是TCB的基址）给EBX；第574行，过程fill_descriptor_in_ldt有了EBX（TCB的基址）、EDX:EAX（64位段描述符），就可以将其安装在LDT中，返回值为特权级0的该段的段选择子；第575行，将返回的段选择子的特权级设置为3；第576行，将修改后的段选择子回填到用户程序头部偏移0x08处。到这里为止，运行用户程序前的各个段描述符都已经构造并在LDT中安装完毕，这些段选择子的请求特权级也都是3。
【14.4.5 重定位U-SALT表】从第579行开始，到第620行结束，用于重定位用户程序的U-SALT表。和上一章相比，绝大多数代码是相同的，具体的工作流程也几乎没有变化。当然，因为涉及特权级，个别的差异还是有的。U-SALT位于用户程序头部段。为了访问它，第13章的做法是先用段寄存器ES指向用户程序头部段，再访问该段内的U-SALT表。当然，前提是用户程序头部段的描述符已经安装并开始生效。在本章中，用户程序各个段的描述符位于LDT中，尽管已经安装，但还没有生效（还没有加载局部描述符表寄存器LDTR）。在这种情况下，只能通过4GB的段来访问U-SALT。所以，第579、580行用于令段寄存器ES指向4GB的内存段。第582、583行，令DS寄存器指向内核数据段，即为使用C-SALT表做准备。在前面的代码中，是令EDI寄存器指向用户程序起始加载地址的，这也就是用户程序头部段的起始线性地址。因为U-SALT的条目数位于头部段内偏移0x24处。故，程序中用以下指令来取得该条目数（第587行）：mov ecx,。同样的道理，因为U-SALT表位于头部段内偏移0x28处，要想得到U-SALT表的线性基地址，使EDI寄存器指向它，程序中使用的是以下指令（第588行）add edi,0x28。具体的重定位过程在上一章已经讲得很清楚了，无非就是找到名字相同的C-SALT条目，把它的地址部分复制到U-SALT的对应条目中。在第13章里，复制的是16位的代码段选择子和32位的段内偏移。在本章中，这些地址不再是普通的段选择子和段内偏移，而是调用门选择子和段内偏移。当初，创建这些调用门时，选择子的RPL字段是0。也就是说，这些调用门选择子的请求特权级是0。当它们被复制到U-SALT中时，应当改为用户程序的特权级（3）。为此，第605、606行，因为ESI寄存器指向当前条目的地址部分，所以4字节之后的地方是该地址的选择子部分，需要首先传送到AX寄存器；紧接着，修改它的RPL字段，使该选择子的请求特权级为3，回填到用户程序相应位置处。
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