从零开始写 OS 内核 - 全局描述符表 GDT

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个 kernel 线程
• 多线程切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

扩展并重载 GDT

本篇我们将在 kernel 中重新定义并扩展全局描述符表 GDT，并再次加载它。本篇的内容也会比较简单，更多的是对 x86 相关手册文档的查阅和熟悉。

GDT 在 loader 阶段我们已经初步定义并加载过一次，在那里我们只定义了 kernel 的 code 和 data 段，因为到目前为止，以及在后面相当长的一段时间里，我们始终处于 kernel 空间中，以 CPU 特权级 0 进行运行。但是作为一个 OS，最终是要运行并管理用户程序的，因此 GDT 中还需要加入用户态的 code 和 data 段。

另外我们也希望对前面的 GDT 重新整理一下，毕竟在汇编下比较混乱，很多数据结构管理起来不清晰。

创建 GDT

GDT 以及 segment 相关的知识，是 x86 体系架构的历史遗留产物，非常令人讨厌。但是 Intel 为了历史兼容，又不得不始终保留这些历史包袱。我们也不必花太多心思和脑筋在这上面，只要按照文档规范，把该填都填了，该写的都写了，轻轻带过就可以了。它并不是我们项目的核心部分。

按惯例，先给出代码链接，主要源文件是 src/mem/gdt.c。

关于 GDT 的文档，你可以参考这里。

首先我们需要定义 GDT entry 的数据结构：

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;

它对应的是这样一个 64 bit 的结构：

其中 base 是指 segment 的内存基址，limit 则是长度，它可以有 1 或者 4KB 两种单位。

其余部分则是图二中展示的一些标志比特位，这里就不多费笔墨了，还是要对着文档仔细校对。

然后我们定义 GDT 表：

static gdt_entry_t gdt_entries[7];

我们这里分配了 7 个 entry：

• 第 0 项保留；
• 第一个是 kernel 的 code segment；
• 第二个是 kernel 的 data segment；
• 第三个是 video segment，这个不是必须的，可以无视；
• 第四个是 user 的 code segment；
• 第五个是 user 的 data segment；
• 第六个是 tss；

从第四个开始，都是用户态需要用到的。其中第六个 tss 目前不必深究，后面进入用户态时我们会回过来再细看这部分。

然后我们定义设置 GDT entry 的函数：

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;
}

对照着上面那幅图看就可以了。

将 GDT 表中的这些 entry 都设置上：

  // 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);

对比 kernel 和 user 部分的差别，主要是两点：

• Access Byte 中的 Privl：一共两个 bit 位，对 kernel 来说它是 00，而对 user 则是 11，它的含义是 DPL (Descriptor Privilege Level)，代表的是访问这个 segment 需要的最小 CPU 特权级。

  

• Limit：因为用户空间限制在了 3GB 以下，所以它的 Limit 是 0xBFFFF，注意 Flags 的 Gr (Granularity) 位是 1，所以 Limit 的 单位是 4KB，可以计算得到 (0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB；

有了这两点限制，当 CPU 处于用户态时，它就无法访问 3GB 以上的 kernel 空间，这样 segment 机制的作用就发挥出来了。

重新加载 GDT

新的 GDT 准备就绪，接下来就是重新加载它，代码在 src/mem/gdt_load.S。

load_gdt:
  mov eax, [esp + 4]
  lgdt [eax]

  mov ax, 0x10
  mov ds, ax
  mov es, ax
  mov fs, ax
  mov ss, ax
  
  mov ax, 0x18
  mov gs, ax

  jmp 0x08:.flush
.flush:
   ret

其中 load_gdt 在 C 源文件中声明如下：

extern void load_gdt(gdt_ptr_t*);

参数为 GDT 指针：

struct gdt_ptr {
  uint16 limit;
  uint32 base;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_ptr gdt_ptr_t;

用指令 lgdt 加载 GDT 表，然后给各个 data 段寄存器，指向了 kernel data 段，偏移量为 0x10，因为它是 GDT 表中的第二项。

接着用一条 far jmp 指令 jmp 0x08:.flush，刷新了 cs 寄存器，使之指向 kernel code 段。注意 0x08 是因为 kernel code 段是 GDT 表中的第一项。

OK，至此新的 GDT 就加载完毕了。