一、实验目的
在上一章节我们完成了Cache的实现,但是这只是在速度上提高了取指和存取操作数的效率,而在访问的安全性上没有得到有效提升。
在PA3-2中我们要完成的,就是在NEMU中实现分段机制。
二、实验任务
首先老规矩,我们来了解一下分段机制是啥,以及它的作用:
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为啥需要“分段机制”?
代码、数据都放在内存里,没有任何限制和保护。会导致很多问题,如数组越界覆盖了代码,恶意程序故意修改代码和数据。也就是说我们如果不做对代码的分段,不把它分开一个个段并明确每个段的作用的话,那么我随便改了改EIP,就可以跳转到任意我想要跳转的地方去执行。内存可以随意读写是非常危险的。
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分段机制的直接阐释:将内存划分为具有不同功能的内存区域,把同一种功能和访问控制类型的数据归类放在一起,统一提供保护,为不同的程序规定不同的访问权限
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分段机制的实现需要:段表(GDT和LDT),NEMU中指的是全局描述符表GDT。
好了,我们了解了分段机制,那么回到访存机制上,我们要把访存和分段机制结合起来,就需要在访存时提供三个信息,以及要怎么得到这些信息:
- 要访问内存的哪个段:要先从段表那里查询得到段基址
- 访问的数据相对段基址的偏移量是多少:用来检查越界情况
- 程序自身的权限等级是多少:用来检查权限是否满足
要实现这一套保护的机制,需要操作系统和计算机双方的配合。其中,各个段的段基址,界限和权限要求等信息,由操作系统(即NEMU中的kernel)初始化并保存在内存中一个特别的称为全局描述符表,简称GDT,的数据结构中。GDT中的每一行对应一个表项,称为段描述符。
我们来看看NEMU是怎么具体实现的:
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首先,启动时NEMU的访存方式是类似实地址模式,即当前的
vaddr
和最后的paddr
一模一样,没有经过任何的权限检查和转换;(注意这和i386的实地址模式是不同的,区别如下) -
x86的机器开机后首先进入实模式,加载操作系统,操作系统初始化段表,拨动一个‘开关’,从实模式切换到保护模式(开启分段机制);
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进入保护模式后,程序给出48位虚拟地址
vaddr
(16位段选择符 + 32位有效地址),使用段选择符来查段表,然后根据段表信息进行段级地址转换得到线性(现在就是物理)地址laddr
。
好的,这就是分段机制开启的大体流程。我们来细看几个要点:
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“开关”是什么?
这个开关是CPU中CR0寄存器中的PE位。它控制着实模式和保护模式的转换,当PE置为0时,采用实地址模式;当PE置为1时,采用保护地址模式。
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段选择符怎么得到?
段选择符是存储在16bit的段寄存器中的index信息。有六个不同的段寄存器,即CS, SS, DS, ES, FS, GS六个段寄存器,每个寄存器指向某个段描述符,段寄存器的实现格式如下:
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段描述符又是啥样子?
一个个64位的段描述符组成了GDT:
为什么描述段基地址的Base以及段大小的Limit字段会被拆成这种丑陋的结构?
因为需要兼容286架构... -
要怎么找到GDT?
通过CPU中的
GDTR
寄存器来找到GDT的首地址和界限,然后根据段寄存器给出的段选择符来找GDT表项(段描述符)。
总体的思路如图:
好,我们现在在NEMU中要做的是:
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在
include/config.h
头文件中添加宏定义IA32_SEG
并make clean
; -
在
CPU_STATE
中添加对GDTR
、CR0
的模拟以及在init_cpu()
中进行初始化为0; -
在
CPU_STATE
中添加对6个段寄存器的模拟在init_cpu()
中进行初始化为0,注意除了要模拟其16位的可见部分,还要模拟其隐藏部分,顺序不能有错; -
实现包括
lgdt
、针对控制寄存器和段寄存器的特殊mov
以及ljmp
指令; -
实现
segment_translate()
、loag_sreg()
函数,并在vaddr_read()
和vaddr_write()
函数中添加保护模式下的虚拟地址向线性地址转换的过程; -
通过
make test_pa-3-2
执行并通过各测试用例。
三、思考题
我们在实现NEMU的分段机制前观察了开启SEG宏后kernel的变化。其中有两条语句的意义要了解的:
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lgdt va_to_pa(gdtdesc)
在干什莫?va_to_pa
是一个地址转换的宏,lgdt
指令是“Load Global Descriptor Table Register”,即装载GDTR。 -
ljmp $GDT_ENTRY(1), $va_to_pa(start_cond)
又在干什莫?GDT_ENTRY
也是一个宏:而
ljmp
指令的意义在于装载CS和EIP寄存器。要注意的一个点是,汇编中的
ljmp
指令是AT&T的格式,在i386手册上是找不到这条指令的。而用objdump反汇编出来对照后看,ljmp
对应的指令是JMP ptr16:16
即一个far jump
。(详细看博文:https://blog.csdn.net/weixin_39677203/article/details/111268072)