X86汇编语言-从实模式到保护模式—笔记（22）-第12章 存储器的保护（4）

兰陵月

12.3  修改段寄存器时的保护

处理器在变更段寄存器以及隐藏的描述符高速缓存器的内容时，要检查其代入值的合法性。

第一步检查：

有些指令显式修改段寄存器，有些指令隐式修改段寄存器。修改段寄存器时，处理器把指令中给出的选择子传送到段寄存器的选择器部分。但在完成传送之前，要确认选择子是正确的，并且该选择子选择的描述符也是正确的。

描述符在内存中的地址，必须在描述符表的地址范围内。换句话说，索引号乘以8得到的数值，必须位于描述符表的边界范围之内。也就是说，处理器从GDT中取某个描述符时，就要求描述符的8个字节都在GDT边界之内，也就是索引号×8+7小于等于边界。

如果检查到指定的段描述符，其位置超过表的边界时，处理器中止处理，产生异常中断13，同时段寄存器中的原值不变。

第二步检查：

处理器从GDT中取得描述符后，紧接着还要对描述符的类别进行确认。比如，若描述符的类别是只执行的代码段，则不允许加载到除CS之外的其他段寄存器中。

（1）描述符的类别字段必须是有效的值，像0000就是无效的。

（2）检查描述符的类别是否和段寄存器的用途匹配。

（3）检查描述符中的P位。如果P=0，表明虽然描述父母已被定义，但该段实际上并不存在于物理内存中。此时，处理器中止处理，引发异常中断11。一般来说，应当定义一个中断处理程序，把该描述符所对应的段从硬盘等外部存储设备调入内存，然后置P位。中断返回时，处理器将再次尝试刚才的操作。如果P=1，则处理器将描述符加载到段寄存器的描述符高速缓存器，同时置A位。

上面的检查如果全部通过，处理器就将选择子加载到段寄存器的选择器。对于CS和SS的选择器来说，不允许向其传送为0的选择子。

检测点12.1

1、若某段描述符中的段界限是0xFFFFC，当粒度为字节和4KB时，实际使用的段界限是多少？
答：当粒度为字节时，实际使用的段界限为：0x000FFFFC。当粒度为4KB时，实际使用的段界限为：0xFFFFC×0x1000+0xFFF=0xFFFFCFFFF。2、若GDT的界限为0x87，寄存器AX的内容为0x0088，则执行指令mov ds,ax时，处理器会产生异常吗？
答：处理器从GDT中取某个描述符时，要求描述符的8个字节都在GDT边界之内，也就是索引号×8+7小于等于边界。本题中段选择子为0x0088，索引号为10001B，即17。17×8+7=143，而143D>0x87，所以处理器中止处理，产生异常中断13。

12.4  地址变换时的保护

【12.4.1 代码段执行时的保护】

在32位模式下，尽管段的信息在描述符表中，但是，一旦相应的描述符被加载到段寄存器的描述符高速缓存器，则处理器取指令和执行指令时，将不再访问描述符表，而是直接使用段寄存器的描述符高速缓存器，从中取得线性基地址，同指令指针寄存器EIP的内容相加，共同形成32位的物理地址从内存中取得下一条指令。不过，在指令实际开始执行之前，处理器必须检验其存放地址的有效性，以防止执行超出允许范围之外的指令。
要执行的那条指令，其长度减1后，与EIP寄存器的值相加，结果必须小于等于实际使用的段界限，否则引发处理器异常。即：0≤（EIP+指令长度-1）≤实际使用的段界限。

比如，当前代码段粒度为字节，段界限值0x001FF，则EIP寄存器的数值加上最后一条指令的长度减1，得到的结果必须小于等于0x000001FF，如果超出这个数值，必然引发异常中断。又比如，假设当前代码段的粒度是4KB，段界限值是0x001FF，故实际使用的段界限值是0x1FF×0x1000+0xFFF=0x001FFFFF。则任何时候，EIP寄存器的内容加上取得的指令长度减1，都必须小于等于0x001FFFFF，否则将引发处理器异常中断。

任何指令都不允许，也不可能向代码段写入数据。而且，只有在代码段可读的情况下（由其描述符指定），才能由指令读取器内容。

【12.4.2 栈操作时的保护】

栈本身始终总是向下增长的，即，向低地址方向推进。段的扩展方向用于处理器的界限检查，而对栈的性质以及在栈上进行的操作没有关系。（本章只讨论32位的栈）

在栈段中，实际使用的段界限也和粒度位有关。如果G=0，实际使用的段界限就是描述符中记载的段界限；如果G=1，则实际使用的段界限为：描述符中的段界限值×0x1000+0xFFF。

栈段是向下扩展的，每当往栈中压入数据时，ESP的内容要减去操作数的长度。所以，和向高地址方向扩展的段相比，非常重要的一点就是，实际使用的段界限就是段内不允许访问的最低端偏移地址。至于最高端的地址，则没有限制，最大可以是0xFFFFFFFF。也就是说，在进行栈操作时，必须符合以下规则：实际使用的段界限+1≤（ESP的内容-操作数的长度）≤0xFFFFFFFF。

例如：当G=0时，假如描述符中的段界限是0x07A00，此时实际使用的段界限也是0x07A00。假设现在ESP的内容是0x00007A04，执行“push edx”会怎样呢？因为要压入一个双字，所以ESP-4=0x7A00，因为它小于段界限值+1（即0x07A01），所以不允许执行该操作。但如果执行“push ax”，因为要压入的是一个字，所以ESP-2=0x7A02，该值大于段界限值+1，所以允许执行。

本程序中，栈段的线性基地址0x00007C00，段界限为0xFFFFE，粒度为4KB，栈指针寄存器ESP为0。因为粒度为4KB，所以实际使用的段界限值为：0xFFFFE×0x1000+0xFFF=0xFFFFEFFF。所以栈的操作必须符合：0xFFFFEFFF+1≤（ESP的内容-操作数的长度）≤0xFFFFFFFF

栈内元素的线性地址是栈线性基地址+ESP的值，所以这个栈最低端的有效物理地址是0x00007C00+0xFFFFF000=0x00006C00，最高端的有效物理地址是0x00007C00+0xFFFFFFFF=0x00007BFF。也就是说，当前程序定义的栈空间介于地址0x00006C00~0x00007BFF之间，大小是4KB。

【12.4.2 栈操作时的保护】

栈本身始终总是向下增长的，即，向低地址方向推进。段的扩展方向用于处理器的界限检查，而对栈的性质以及在栈上进行的操作没有关系。（本章只讨论32位的栈）

在栈段中，实际使用的段界限也和粒度位有关。如果G=0，实际使用的段界限就是描述符中记载的段界限；如果G=1，则实际使用的段界限为：描述符中的段界限值×0x1000+0xFFF。

栈段是向下扩展的，每当往栈中压入数据时，ESP的内容要减去操作数的长度。所以，和向高地址方向扩展的段相比，非常重要的一点就是，实际使用的段界限就是段内不允许访问的最低端偏移地址。至于最高端的地址，则没有限制，最大可以是0xFFFFFFFF。也就是说，在进行栈操作时，必须符合以下规则：

实际使用的段界限+1≤（ESP的内容-操作数的长度）≤0xFFFFFFFF

例如：当G=0时，假如描述符中的段界限是0x07A00，此时实际使用的段界限也是0x07A00。假设现在ESP的内容是0x00007A04，执行“push edx”会怎样呢？因为要压入一个双字，所以ESP-4=0x7A00，因为它小于段界限值+1（即0x07A01），所以不允许执行该操作。但如果执行“push ax”，因为要压入的是一个字，所以ESP-2=0x7A02，该值大于段界限值+1，所以允许执行。

本程序中，栈段的线性基地址0x00007C00，段界限为0xFFFFE，粒度为4KB，栈指针寄存器ESP为0。因为粒度为4KB，所以实际使用的段界限值为：0xFFFFE×0x1000+0xFFF=0xFFFFEFFF。所以栈的操作必须符合：

0xFFFFEFFF+1≤（ESP的内容-操作数的长度）≤0xFFFFFFFF

栈内元素的线性地址是栈线性基地址+ESP的值，所以这个栈最低端的有效物理地址是0x00007C00+0xFFFFF000=0x00006C00，最高端的有效物理地址是0x00007C00+0xFFFFFFFF=0x00007BFF。也就是说，当前程序定义的栈空间介于地址0x00006C00~0x00007BFF之间，大小是4KB。

【12.4.3 数据访问时的保护】

这里所说的数据段，特指向上扩展的数据段，有别于栈和向下扩展的数据段。

因为是向上扩展的，所以代码段的检查规则同样适用于数据段。不同之处仅仅在于，对于取指令来说，是否越界取决于指令的长度；而对于数据段来说，则取决于操作数的尺寸。

处理器将根究以下规则进行检查：

0≤（EA+操作数大小-1）≤实际使用的段界限

在任何时候，段界限之外的访问企图都会被阻止，并引发异常中断。在32位处理器上，尽管段界限的检查总在进行着，但如果段界限具有最大值，则对任何内存地址的访问都将不会违例。任何一个内存单元都将被允许访问，针对段界限的检查都会获得通过。

检测点12.2

当前栈段描述符的B位是1，基地址为0x00700000，界限值为0xFFFFE，那么，在32位模式下，该栈段的有效地址范围是0x00700000~（   ）。当ESP的内容为0xFFFFF002时，还能压入一个双字吗？为什么？

答：该栈段的有效地址范围是0x00700000~0x006FFFFF。

因为段界限值为0xFFFFE，所以实际使用的段界限值为0xFFFFE×0x1000+0xFFF=0xFFFFEFFF。因为ESP的最大值是0xFFFFFFFF，所以处理器的检查规则是：0xFFFFF000≤（ESP的内容-操作数的长度）≤0xFFFFFFFF。所以最低有效地址：0x00700000+0xFFFFF000=0x006FF000；最高有效地址：x00700000+0xFFFFFFFF=0x006FFFFF。

ESP-4=0xFFFFF002-4=0xFFFFEFFE。符合检查规则，因此可以压入一个双字。

12.5  使用别名访问代码段对字符排序

程序第59行、第60行，段选择器DS中传入索引号3的段描述符。该段描述符为代码段的别名。使用该段描述符，可以对代码段的内容进行读写操作。比如例子中冒泡排序就是读写操作。

XCHG指令，交换指令，交换源操作数与目的操作数的内容。