（第三章 8 ）特权级——CPL、DPL、RPL

很久以后，等我大量翻阅关于“保护模式的特权级检查（DPL，RPL，CPL, 一致代码段，非一致代码段）”的资料后，我才发现这篇博客理解得太肤浅了，而且有错（但后面的实验步骤和代码还是可以凑合看一下的），因此特意写了另一篇（主要是转载），名为“（第三章 8 ）特权级——保护模式的特权级检查（DPL，RPL，CPL, 一致代码段，非一致代码段）”。

本节见书P48~49。在IA32的分段机制中，特权级共有4个特权级别，从高到低分别是0>1>2>3. 下面通过一个例子来说明CPL、DPL、RPL.

1. 先要明确CPL、DPL、RPL的概念，以及她们在哪里

DPL ，Descriptor Privilege Level，表示段或门的特权级。它是一个静态的概念，包含于段描述符的属性字段部分(P32)，只要代码写好了，每个段的特权级就定了。

以本章第一个程序chapter3/a/pmtest1.asm（见P25~）为例，

LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C+DA_32 中最后一个字段指定属性，这里采用默认的DPL特权级0（没有显式指定）

RPL ，Requested Privilege Level，是“调用过程”的选择子的第0位和第1位(P32下面)。

以本章第一个程序chapter3/a/pmtest1.asm为例，

...

SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT

至此，如果SelectorCode32对应的代码段[SECTION .s32]被调用时（如执行jmp dword SelectorCode32:0），RPL就会被设置成SelectorCode32的第0位和第1位。此时执行jmp dword SelectorCode32:0的过程称“调用过程”，而[SECTION .s32]这个代码段称为“被调用过程”。

CPL ，Current Privilege Level，是“被调用过程”(当前执行程序或任务)的特权级，它被存储在cs和ss的第0位和第1位上。

以本章第一个程序chapter3/a/pmtest1.asm为例，在[SECTION .s16]最后，

jmp dword SelectorCode32:0执行之前，CPL是[SECTION .s16]的DPL，此时为0；

jmp dword SelectorCode32:0执行时，会将SelectorCode32装入cs（注：选择子和cs都是两个字节的，见P32），因为CPL是cs的第0位和第1位，所以CPL就变成了SelectorCode32对应段的DPL，此时也是0.

CPL虽然直接由cs中的最低2位决定，但最终是由“jmp到被调用段时指定的选择子”（此处jmp dword SelectorCode32:0，被调用段的选择子SelectorCode32中最低2位为0，则跳转后CPL=0）决定的。

对于数据的访问，特权级检验还是比较简单的，只要CPL和RPL都小于被访问的数据段的DPL就可以了。

2. 例子

执行方式如下：

1. asm生成com文件

[hadoop@sam1 c]$ pwd

/home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter3/c

[hadoop@sam1 c]$ nasm pmtest3.asm -o pmtest3.com

2. 将编译好的com文件复制到软盘b（镜像为pm.img)

[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ pwd

/home/hadoop/Desktop/OSImpl/bochs-2.6

[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo mount -o loop pm.img /mnt/floppy/

[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo cp /home/hadoop/Desktop/OSImpl/一个操作系统的实现/chapter3/c/pmtest3.com /mnt/floppy/

[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ sudo umount /mnt/floppy/

3. 启动freedos（软盘a：镜像freedos.img)，加载软盘b(镜像pm.img)中的com文件

[hadoop@sam1 bochs-2.6]$ ./bochs

...

Please choose one: [6] 2

...

To cancel, type 'none'. [.bochsrc]

...

Please choose one: [6]

...

<bochs:1> c

发现根本不能运行，这就对了

注意到这里涉及到特权级别的几个地方：

LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen - 1, DA_DRW+DA_DPL1; Data

...

SelectorDataequLABEL_DESC_DATA- LABEL_GDT + SA_RPL3

...

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.

LABEL_SEG_CODE32:

movax, SelectorData

movds, ax; 数据段选择子

... 然后尝试访问Data段，就会失败，因为CPL=0 （当前段[SECTION .s32]的特权级），RPL=3（使用的段选择子SelectorData里面末两位），被访问数据段的DPL=1。不满足 CPL<DPL && RPL<DPL

下面是完整代码：

; ==========================================

; pmtest3.asm

; 编译方法：nasm pmtest3.asm -o pmtest3.com

; ==========================================

%include"pm.inc"; 常量, 宏, 以及一些说明

org0100h

jmpLABEL_BEGIN

[SECTION .gdt]

; GDT

; 段基址, 段界限 , 属性

LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符

LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW; Normal 描述符

LABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32; 非一致代码段, 32

LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C; 非一致代码段, 16

LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen - 1, DA_DRW+DA_DPL1; Data

LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32; Stack, 32 位

LABEL_DESC_LDT: Descriptor 0, LDTLen - 1, DA_LDT; LDT

LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW; 显存首地址

; GDT 结束

GdtLenequ$ - LABEL_GDT; GDT长度

GdtPtrdwGdtLen - 1; GDT界限

dd0; GDT基地址

; GDT 选择子

SelectorNormalequLABEL_DESC_NORMAL- LABEL_GDT

SelectorCode32equLABEL_DESC_CODE32- LABEL_GDT

SelectorCode16equLABEL_DESC_CODE16- LABEL_GDT

SelectorDataequLABEL_DESC_DATA- LABEL_GDT + SA_RPL3

SelectorStackequLABEL_DESC_STACK- LABEL_GDT

SelectorLDTequLABEL_DESC_LDT- LABEL_GDT

SelectorVideoequLABEL_DESC_VIDEO- LABEL_GDT

; END of [SECTION .gdt]

[SECTION .data1] ; 数据段

ALIGN32

[BITS32]

LABEL_DATA:

SPValueInRealModedw0

; 字符串

PMMessage:db"In Protect Mode now. ^-^", 0; 进入保护模式后显示此字符串

OffsetPMMessageequPMMessage - $$

StrTest:db"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", 0

OffsetStrTestequStrTest - $$

DataLenequ$ - LABEL_DATA

; END of [SECTION .data1]

; 全局堆栈段

[SECTION .gs]

ALIGN32

[BITS32]

LABEL_STACK:

times 512 db 0

TopOfStackequ$ - LABEL_STACK - 1

; END of [SECTION .gs]

[SECTION .s16]

[BITS16]

LABEL_BEGIN:

movax, cs

movds, ax

moves, ax

movss, ax

movsp, 0100h

mov[LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax

mov[SPValueInRealMode], sp

; 初始化 16 位代码段描述符 ==> [LABEL_SEG_CODE16]在“GDT本段对应的全局描述符”中已经设置了“段长度”和“段属性”，这里实际上是把“段基址”混入进去，使得“GDT本段对应的全局描述符”完整了!!!

movax, cs

movzxeax, ax

shleax, 4

addeax, LABEL_SEG_CODE16

movword [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al

movbyte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah

; 初始化 32 位代码段描述符

xoreax, eax

movax, cs

shleax, 4

addeax, LABEL_SEG_CODE32

movword [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al

movbyte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah

; 初始化数据段描述符

xoreax, eax

movax, ds

shleax, 4

addeax, LABEL_DATA

movword [LABEL_DESC_DATA + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_DESC_DATA + 4], al

movbyte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah

; 初始化堆栈段描述符

xoreax, eax

movax, ds

shleax, 4

addeax, LABEL_STACK

movword [LABEL_DESC_STACK + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_DESC_STACK + 4], al

movbyte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah

; 初始化 LDT 在 GDT 中的描述符

xoreax, eax

movax, ds

shleax, 4

addeax, LABEL_LDT

movword [LABEL_DESC_LDT + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_DESC_LDT + 4], al

movbyte [LABEL_DESC_LDT + 7], ah

; 初始化 LDT 中的描述符

xoreax, eax

movax, ds

shleax, 4

addeax, LABEL_CODE_A

movword [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 2], ax

shreax, 16

movbyte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 4], al

movbyte [LABEL_LDT_DESC_CODEA + 7], ah

; 为加载 GDTR 作准备

xoreax, eax

movax, ds

shleax, 4

addeax, LABEL_GDT; eax <- gdt 基地址

movdword [GdtPtr + 2], eax; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址

; 加载 GDTR

lgdt[GdtPtr]

; 关中断

cli

; 打开地址线A20

inal, 92h

oral, 00000010b

out92h, al

; 准备切换到保护模式

moveax, cr0

oreax, 1

movcr0, eax

; 真正进入保护模式

jmpdword SelectorCode32:0; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0 处

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

LABEL_REAL_ENTRY:; 从保护模式跳回到实模式就到了这里

movax, cs

movds, ax

moves, ax

movss, ax

movsp, [SPValueInRealMode]

inal, 92h; ┓

andal, 11111101b; ┣ 关闭 A20 地址线

out92h, al; ┛

sti; 开中断

movax, 4c00h; ┓

int21h; ┛回到 DOS

; END of [SECTION .s16]

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.

[BITS32]

LABEL_SEG_CODE32:

movax, SelectorData

movds, ax; 数据段选择子

movax, SelectorVideo

movgs, ax; 视频段选择子

movax, SelectorStack

movss, ax; 堆栈段选择子

movesp, TopOfStack

; 下面显示一个字符串

movah, 0Ch; 0000: 黑底 1100: 红字

xoresi, esi

xoredi, edi

movesi, OffsetPMMessage; 源数据偏移

movedi, (80 * 10 + 0) * 2; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。

cld

.1:

lodsb ; [esi] --byte--> al

testal, al ; 若已经到达最后一个字符0，则结束循环显示每个字符

jz.2

mov[gs:edi], ax ; ax(ah: 黑底红字 al: ASCII字符) --2 bytes--> [gs:edi]

addedi, 2 ; [gs:edi] 向后跳两个字节

jmp.1 ; 显示下一个字符

.2:; 显示完毕

callDispReturn

; Load LDT

movax, SelectorLDT

lldtax

jmpSelectorLDTCodeA:0; 跳入局部任务

; ------------------------------------------------------------------------

DispReturn:

pusheax

pushebx

moveax, edi

movbl, 160

divbl

andeax, 0FFh

inceax

movbl, 160

mulbl

movedi, eax

popebx

popeax

ret

; DispReturn 结束---------------------------------------------------------

SegCode32Lenequ$ - LABEL_SEG_CODE32

; END of [SECTION .s32]

; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式

[SECTION .s16code]

ALIGN32

[BITS16]

LABEL_SEG_CODE16:

; 跳回实模式:

movax, SelectorNormal

movds, ax

moves, ax

movfs, ax

movgs, ax

movss, ax

moveax, cr0

andal, 11111110b

movcr0, eax

LABEL_GO_BACK_TO_REAL:

jmp0:LABEL_REAL_ENTRY; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值

Code16Lenequ$ - LABEL_SEG_CODE16

; END of [SECTION .s16code]

; LDT

[SECTION .ldt]

ALIGN32

LABEL_LDT:

; 段基址段界限属性

LABEL_LDT_DESC_CODEA: Descriptor 0, CodeALen - 1, DA_C + DA_32 ; Code, 32 位

LDTLenequ$ - LABEL_LDT

; LDT 选择子

SelectorLDTCodeAequLABEL_LDT_DESC_CODEA- LABEL_LDT + SA_TIL

; END of [SECTION .ldt]

; CodeA (LDT, 32 位代码段)

[SECTION .la]

ALIGN32

[BITS32]

LABEL_CODE_A:

movax, SelectorVideo

movgs, ax; 视频段选择子(目的)

movedi, (80 * 12 + 0) * 2; 屏幕第 10 行, 第 0 列。

movah, 0Ch; 0000: 黑底 1100: 红字

moval, 'L'

mov[gs:edi], ax

; 准备经由16位代码段跳回实模式

jmpSelectorCode16:0

CodeALenequ$ - LABEL_CODE_A

; END of [SECTION .la]

小结：

理解“选择子”和DPL, RPL, CPL四者的转化和对应关系。

（第三章 8 ）特权级——CPL、DPL、RPL

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