80x86的保護(hù)
1段級(jí)保護(hù)
包括以下幾種方式 ：
1.1 段界限檢查
段描述符中的段限長(zhǎng)字段用于防止程序或過(guò)程尋址到段外內(nèi)存位置。段限長(zhǎng)的有效值依賴(lài)于顆粒度G標(biāo)志的設(shè)置狀態(tài)。
1.2 段類(lèi)型TYPE檢查
1.3特權(quán)級(jí)檢查
段保護(hù)機(jī)制提供了四種特權(quán)級(jí)，0級(jí)到3級(jí)。
特權(quán)級(jí)有以下三種：
1.3.1 當(dāng)前特權(quán)級(jí) CPL CPL是當(dāng)
前正在執(zhí)行程序或任務(wù)的特權(quán)級(jí)。它存
放在CS活著SS段寄存器中位0和位1中。 通常CPL等于當(dāng)前代碼段的特權(quán)級(jí)。當(dāng)程序把控制轉(zhuǎn)移到
另一個(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。
當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)一致代碼段的時(shí)候，處理器對(duì)CPL的設(shè)置有所不同，特權(quán)級(jí)高于或等于一致代碼段DPL的任何段都可以訪問(wèn)一致代碼段，并且當(dāng)處理器訪問(wèn)一個(gè)
特權(quán)級(jí)不同于CPL的一致代碼段時(shí)，CPL不會(huì)修改成一致代碼段的DPL 。
1.3.2 描述符特權(quán)級(jí) DPL
DPL是一個(gè)段或者門(mén)的特權(quán)級(jí)，它
存放在段或門(mén)的DPL字段中。當(dāng)執(zhí)行代碼段試圖訪問(wèn)一個(gè)段或者門(mén)的時(shí)候，段或者門(mén)DPL就會(huì)于
CPL以及短或者門(mén)選擇符中的RPL相比較。 根據(jù)被訪問(wèn)的段或者門(mén)的類(lèi)型不同，DPL也有不同的含義。
(1) 數(shù)據(jù)段
其DPL指出允許訪問(wèn)本程序段的程序或任務(wù)應(yīng)具有的最大特權(quán)級(jí)數(shù)值。例如，如果數(shù)據(jù)段的特權(quán)級(jí)DPL是1，那么只有運(yùn)行在CPL為0或者1的
程序，才可以訪問(wèn)這個(gè)段。
(2) 非一致代碼段
其DPL指出程序或者任務(wù)訪問(wèn)該段必須具有的特權(quán)級(jí)。 例如如果某個(gè)非一致代碼段的DPL為0 ，那么就只有運(yùn)行在CPL為0 的程序能夠訪問(wèn)這個(gè)段。
(3) 調(diào)用門(mén)
與數(shù)據(jù)段的訪問(wèn)規(guī)則相同。
(4) 一致和非一致代碼段(通過(guò)調(diào)用門(mén)訪問(wèn))
DPL指示允許代碼段的程序或者任務(wù)應(yīng)該具有的最小特權(quán)級(jí)數(shù)值。如果一致代碼段的DPL是2，那么CPL為0的程序段就不能訪問(wèn)。
(5) 任務(wù)狀態(tài)段 TSS
其DPL指出訪問(wèn)TSS的當(dāng)前執(zhí)行程序或任務(wù)可處于的最大特權(quán)級(jí)。與數(shù)據(jù)段訪問(wèn)規(guī)則相同。
1.3.3 請(qǐng)求特權(quán)級(jí) RPL
RPL是一種賦予段選擇符的超越特權(quán)級(jí)，它存放在選擇符的位0或者位1中。處理器會(huì)同時(shí)檢查RPL或者CPL 。以確定是否允許訪問(wèn)一個(gè)段。
始終取RPL或者CPL之間數(shù)值最大的特權(quán)級(jí)作為訪問(wèn)段時(shí)的最大比較對(duì)象。
2 訪問(wèn)數(shù)據(jù)段時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查
為了訪問(wèn)數(shù)據(jù)段中的操作數(shù)，數(shù)據(jù)段中的段選擇符，必須加載進(jìn)數(shù)據(jù)段寄存器中或者堆棧段寄存器中。在把一個(gè)段選擇符加載進(jìn)段寄存器中之前，
處理器就會(huì)進(jìn)行特權(quán)級(jí)檢查。
它會(huì)把當(dāng)前的段描述符的DPL與 當(dāng)前段選擇符的RPL 和任務(wù)的CPL 進(jìn)行比較，只有DPL大于或者等于 CPL或者RPL 時(shí)，CPU才會(huì)把選擇符加載進(jìn)段寄存器。
3 代碼段之間的轉(zhuǎn)移控制時(shí)的特權(quán)級(jí)檢查
當(dāng)程序的控制權(quán)從一個(gè)代碼段移到另一個(gè)代碼段中時(shí)，目標(biāo)代碼段的段選擇符必須加載進(jìn)代碼段寄存器，作為這個(gè)加載過(guò)程的一部分，處理器會(huì)檢測(cè)目標(biāo)代碼段的段描述符，并執(zhí)行各種安全的檢測(cè)。如果這些檢查都通過(guò)了，那么CPU就會(huì)把目標(biāo)代碼段的選擇符加載進(jìn)段寄存器，于是程序的控制權(quán)就被轉(zhuǎn)移到新的代碼段中。
JMP CALL 指令可以利用以下四種方法來(lái)引用另外一個(gè)代碼段：
(1) 目標(biāo)操作數(shù)含有目標(biāo)代碼段的段選擇符。
(2)目標(biāo)操作數(shù)指向一個(gè)調(diào)用門(mén)描述符，該描述符含有目標(biāo)代碼段的選擇符。
(3) 目標(biāo)操作數(shù)指向一個(gè)TSS ，而該TSS中含有目標(biāo)代碼段的選擇符 。
(4) 目標(biāo)操作數(shù)指向一個(gè)任務(wù)門(mén)，該任務(wù)指向一個(gè)TSS ，該TSS中含有目標(biāo)代碼段的選擇符。
3.1 當(dāng)不通過(guò)門(mén)調(diào)用把程序控制權(quán)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)代碼段時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行以下四種特權(quán)級(jí)和類(lèi)型信息。
目的代碼段中的一致性標(biāo)志C， 它確定了一個(gè)代碼段是非一致代碼段還是一致代碼段。
當(dāng)C==0 ，即為非一致代碼段，則調(diào)用者的CPL必須等于目的代碼段的DPL ，RPL 則作用不大。RPL在數(shù)值上必須小于或者等于調(diào)用者的CPL才能使它的
控制轉(zhuǎn)移成功。 當(dāng)非一致代碼的段選擇符被加載進(jìn)CS寄存器中時(shí)，特權(quán)級(jí)字段并不會(huì)改變，它仍然是調(diào)用者的CPL ，即使段選擇符的RPL與CPL不同，但是
仍然是正確的。
當(dāng)C == 1 時(shí)，即訪問(wèn)一致代碼段的時(shí)候，CPL必須在數(shù)值上大于或者等于目的代碼段的DPL，CPU忽略對(duì)RPL的檢查。對(duì)于一致代碼段，DPL表示調(diào)用者對(duì)代碼段進(jìn)行成功調(diào)用可以處于的最低數(shù)值特權(quán)級(jí)。
大多數(shù)代碼段都是非一致代碼段，這樣代碼段只能轉(zhuǎn)移到相同特權(quán)級(jí)的代碼段上，除非轉(zhuǎn)移是通過(guò)一個(gè)調(diào)用門(mén)來(lái)進(jìn)行的。
4 門(mén)描述符
為了對(duì)不同特權(quán)級(jí)的代碼段進(jìn)行受控的訪問(wèn)，處理器提供了稱(chēng)為門(mén)描述符的特殊描述符集。
有以下四種門(mén)描述符：
(1) 調(diào)用門(mén) TYPE = 12
(2) 陷阱門(mén) TYPE = 15
(3) 中斷門(mén) TYPE = 14
(4) 任務(wù)門(mén) TYPE = 5 。
當(dāng)CPU訪問(wèn)調(diào)用門(mén)時(shí)，它會(huì)使用調(diào)用門(mén)的段選擇符來(lái)定位目的代碼段的段描述符，然后CPU會(huì)把代碼段描述符的基地址與調(diào)用門(mén)中的偏移值進(jìn)行組合。
形成代碼段中指定程序的入口點(diǎn)的線性地址。
通過(guò)調(diào)用門(mén)進(jìn)行程序控制轉(zhuǎn)移的時(shí)候，CPU會(huì)對(duì)4種不同的特權(quán)級(jí)進(jìn)行檢查。
(1)當(dāng)前特權(quán)級(jí)CPL 。
(2) 調(diào)用門(mén)描述符的請(qǐng)求特權(quán)級(jí)RPL 。
(3) 調(diào)用門(mén)描述符特權(quán)級(jí)DPL 。
(4) 目的代碼段描述符中的DPL。
(5)目的代碼段描述符的DPL 。
5 棧的切換
每當(dāng)調(diào)用門(mén)用于把程序控制轉(zhuǎn)移到一個(gè)更高級(jí)別的非一致代碼段時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)切換到目的代碼段特權(quán)級(jí)的堆棧去。
執(zhí)行堆棧切換的目的是為了，防止高級(jí)特權(quán)程序由于堆棧空間不足而引起的崩潰。 同時(shí)也為了防止低特權(quán)級(jí)程序，通過(guò)共享堆棧
而干擾高特權(quán)級(jí)程序。
每個(gè)任務(wù)最多定義4個(gè)堆棧，一個(gè)運(yùn)行在特權(quán)級(jí)3的應(yīng)用程序代碼，其他分別運(yùn)行在特權(quán)級(jí)0，1，2上。
5.1堆棧的具體切換
當(dāng)特權(quán)級(jí)3的程序在執(zhí)行時(shí)，特權(quán)級(jí)3的堆棧的段選擇符和棧指針會(huì)被存放在SS和ESP中，并且在發(fā)生堆棧切換時(shí)保存在被調(diào)用過(guò)程的堆棧上。
而特權(quán)級(jí)0、1和2 的堆棧的初始指針都存放在當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的TSS段中，TSS段中這些指針都是只讀值。當(dāng)調(diào)用更高特權(quán)級(jí)的時(shí)候，CPU才會(huì)
使用它們建立新的堆棧。 當(dāng)從調(diào)用過(guò)程返回時(shí)，相應(yīng)的棧就不存在了，下一次調(diào)用該過(guò)程的時(shí)候，就會(huì)再次使用TSS中的初始指針建立一個(gè)
新棧。
OS需要負(fù)責(zé)為所有用到的特權(quán)級(jí)建立堆棧和堆棧段描述符，并且在任務(wù)的TSS中設(shè)置初始指針值。
當(dāng)通過(guò)一個(gè)過(guò)程調(diào)用其他過(guò)程時(shí)而造成的特權(quán)級(jí)改變的時(shí)候，CPU會(huì)執(zhí)行以下步驟進(jìn)行切換操作，并開(kāi)始在新的特權(quán)級(jí)上執(zhí)行調(diào)用過(guò)程。
(1) 使用目的代碼段的DPL從TSS中選擇新棧的指針，從當(dāng)前的TSS中讀取新棧的段選擇符和棧指針。
(2) 檢查棧段描述符特權(quán)級(jí)和類(lèi)型是否有效 ，若無(wú)效則產(chǎn)生一個(gè)無(wú)效的TSS 。
(3) 臨時(shí)保存SS和ESP寄存器的當(dāng)前值，把新棧的段選擇符和棧指針加載到SS中和ESP中。然后把臨時(shí)保存的SS和ESP壓入到新棧中。
(4) 把調(diào)用門(mén)中描述符中指定參數(shù)個(gè)數(shù)的參數(shù)從調(diào)用過(guò)程棧復(fù)制到新棧中。
(5) 把返回指令指針壓入(即當(dāng)前CS和EIP內(nèi)容) 壓入新棧。把新代碼段選擇符加載到CS中，同時(shí)把調(diào)用門(mén)中偏移值加載到EIP中。最后開(kāi)始執(zhí)行
被調(diào)用的過(guò)程。
5.2 從被調(diào)用過(guò)程返回
指令RET用于執(zhí)行近返回、同特權(quán)級(jí)遠(yuǎn)返回、不同特權(quán)級(jí)遠(yuǎn)返回。
當(dāng)執(zhí)行遠(yuǎn)返回到一個(gè)調(diào)用過(guò)程時(shí)，CPU會(huì)執(zhí)行以下步驟：
(1) 檢查保存的CS寄存器中RPL字段，以確定在返回時(shí)特權(quán)級(jí)是否需要改變。
(2) 彈出并使用被調(diào)用過(guò)程堆棧上的值加載CS和EIP寄存器
6 頁(yè)級(jí)保護(hù)
頁(yè)目錄和頁(yè)表項(xiàng)中的讀寫(xiě)標(biāo)志R/W和用戶(hù)/超級(jí)用戶(hù)標(biāo)志U/S提供了分段機(jī)制保護(hù)屬性的一個(gè)子集。
超級(jí)用戶(hù)級(jí)為 特權(quán)級(jí) 0 ， 1 ， 2 。
普通用戶(hù)級(jí)為 特權(quán)級(jí) 3 。
6.1 頁(yè)轉(zhuǎn)換高速緩沖 TLB
為了避免每次內(nèi)存訪問(wèn)都要訪問(wèn)駐留在內(nèi)存中的頁(yè)表，最近使用到的線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換信息被保存在處理器內(nèi)的
頁(yè)轉(zhuǎn)換高速緩沖中。只有當(dāng)前需要的轉(zhuǎn)換信息不在高速緩存時(shí)，才會(huì)訪問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表。
6.2 組合頁(yè)級(jí)別和段級(jí)保護(hù)
當(dāng)啟用了分頁(yè)機(jī)制，CPU會(huì)首先執(zhí)行段級(jí)保護(hù)，然后再處頁(yè)級(jí)保護(hù)。