Linux从头学13:想彻底搞懂“系统调用”的底层原理?建议您别错过这篇【调用门】

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共 3195字,需浏览 7分钟

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2021-09-26 16:14

作  者:道哥,10+年嵌入式开发老兵,专注于:C/C++、嵌入式、Linux

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目录

  • 门描述符

  • 调用门特权级检查规则

  • 调用门的使用过程

    • 安装调用门

    • 把调用门告诉用户程序

    • 用户程序通过调用门进入系统函数

    • 栈在不同特权级下的切换

在之前的文章中Linux从头学10:三级跳过程详解-从 bootloader 到 操作系统,再到应用程序,由于当时没有引入特权级的概念,用户程序和操作系统都工作在相同的特权级,因此可以直接通过[段选择子:偏移量] 的方式,来调用属于操作系统代码段中的函数,如下所示:

用户程序header中橙色部分的信息,表示操作系统提供的2个系统函数,位于操作系统的哪个段描述符中,偏移地址是多少。

一旦引入了特权级别,上面这样的调用方式就行不通了。

因为用户程序的特权级一定比操作系统的特权级别,所以即使用户程序能够知道函数的段选择子和偏移地址,操作系统也会禁止用户程序跳转进去。

例如:应用程序的 CPL 和 RPL 都为 3,而操作系统中的函数所在的段 DPL = 0,不能通过特权级的检查。

看过上一篇文章的小伙伴一定知道,如果把目标代码段的描述符中,TYPE.C标志设置为1,也就意味着这是一个依从(或者叫一致性)代码段,就允许低特权级的用户程序调用了。

除了这个方法之外,处理器还提供了另外一种更“正规”的方式,来实现低特权级的代码转移到高特权级的代码,这就是:调用门

这篇文章,我们就一起来学习调用门的机制,顺带着把所有的门描述符也一起介绍下。

门描述符

所谓的门,就是一个通道。通过这个通道,可以进入另一个代码段中进行执行。

x86中,有下面这些门:

调用门:用于低特权级代码转移到高特权级代码;

任务门:用于不同任务之间的调度;

中断门:用于异步执行中断处理程序;

陷阱门:也用于执行中断处理程序,不过这里的中断是处理器内部产生的;

门描述符与之前介绍的段描述符本质是一样的,都是用来描述一个代码段的信息,只不过门描述符增加了一层间接性

下面是4个门描述符的结构(32位系统):

从以上这4个门描述符的结构中可以看出: 它们并没有直接记录目标代码段的开始地址和界限,而是记录了目标代码段的选择子

也就是说:先通过门描述符找到代码段选择子,然后再用这个选择子到 GDT 中去查找真正的目标代码段描述符,最终找到目标代码段的开始地址和界限、属性等信息,也就是下面这个结构:

所以说,这些门就是增加了一层间接性。

这层间接性,为操作系统提供了诸多好处。

首先,对于中断处理来说,把所有的中断描述符放在一个表中,可以对中断处理程序的地址进行解耦。

其次,对于执行代码段的转移来说,可以利用门来提供更灵活的特权级别控制,实现更加复杂的操作。

关于任务门中的TSS选择子:

  1. 所谓的任务门可以简单理解为用于任务切换。

  2. 因为一个 TSS 段中,保存的就是一个任务的上下文信息快照。

  3. 只要处理器发现选择子指向的描述符是一个任务门(通过 TYPE 字段),它就执行任务切换:

a. 保存当前 CPU 中的上下文到当前任务的 TSS 段中;

b. 再把 TSS 选择子中所指向的那个 TSS 段中的上下文内容,加载到 CPU 寄存器中,这样就实现了任务切换。

调用门特权级检查规则

从调用门的名字就可以看出,它是为系统调用服务的。

再来看一下它的描述符结构:

参数个数:调用者传递多少个参数给目标代码(是通过栈空间来传参的);

DPL:表示这个调用门本身的特权级;

目标代码段选择子:最终调用的目标代码段的选择子,需要用这个选择子到 GDT 中寻找目标代码段的基地址;

偏移量:调用的代码距离目标代码段开始地址的偏移字节数;

从以上这些字段来看,这简直就是为:从低特权级的用户代码,调用高特权级的操作系统代码,量身定做的,只要处理器在特权级上放过用户程序一马就可以了。

事实上也正是如此:当用户请求调用门时,操作系统会进行如下特权级检查

  1. 当前特权级 CPL (用户程序)和请求特权级 RPL,必须 [高于或等于] 调用门中的 DPL;

即在数值上:CPL <= DPL,RPL <= DPL。(注意:这是调用门描述符里的 DPL)

  1. 当前特权级 CPL(用户程序),必须 [低于或等于] 目标代码段中的 DPL;

即在数值上:CPL >= 目标代码段描述符中的 DPL。

从以上规则可以再次看出:即使通过调用门,目标代码段只允许相同或者更低的特权级代码进入,也验证了之前所说的:高特权级代码不会主动转移到低特权级的代码中

如果特权级检查被通过,进入目标代码段之后,当前特权级CPL是否会改变呢?

这就依赖于目标代码段描述符中的TYPE字段中的 C 标志位的值:

TYPE.C = 1:CPL 保持不变,仍然为用户程序中的特权级 3;

TYPE.C = 0: CPL 改变,变成目标代码段的特权级;

调用门的使用过程

安装调用门

所谓的安装,就是在GDT中构造一个调用门描述符,让它的目标代码段选择子指向真正的代码段。

假设:下面这张图是安装调用门之前的状态:

操作系统提供2个系统函数给用户程序调用,它们的代码位于独立的一个代码段中(在GDT中有一个代码段描述符)。

然后在GDT中,新增一个门描述符(index = 8),描述符中的“目标代码段选择子”中的索引号,就等于 7

注意:根据前文提到到特权级检查规则,为了让用户程序能正确进入调用门,需要把调用门描述符的DPL设置为 3 才可以(与用户程序的CPL相同)。

把调用门的选择子告诉用户程序

按照之前的惯例,操作系统可以在用户程序的头部header中的约定位置处,填写调用们的选择子以及函数偏移地址:

选择子的数值为:0x0043(二进制:0000_0000_0100_0011)

RPL = 3;

到 GDT 中去查找;

索引号 index = 8;

用户程序通过调用门进入系统函数

当用户程序请求调用系统函数时,处理器就开始对这 3 方的特权级展开检查:

  1. 用户程序的 CPL = 3, RPL = 3;

  2. 调用门自身的 DPL = 3;

  3. 调用门中的目标代码段选择子所指向的描述符(index = 7)中 DPL = 0;

以上这些特权级的数值满足调用门的特权级规则要求,于是就进入系统函数所在的代码中执行了。

栈的切换

x86 处理器要求:当前特权级 CPL 必须与目标栈段的 DPL 相同。

因此,用户程序在进入操作系统中的系统函数之后:

1. 如果特权级 CPL 没有变化

那么在系统函数执行的时候,使用的栈仍然是用户程序之前所使用的那个栈空间

如果用户程序通过栈传递了参数,系统函数可以直接在同一个栈空间中获取到这些参数。

2. 如果特权级 CPL 发生了变化

那么在系统函数执行的时候,就需要切换到用户程序在 0 特权级下的栈空间(操作系统在加载用户程序的时候,就提前准备好了)。

同时,处理器会把用户程序在 3 特权级下使用的栈空间中的参数,全部复制 0 特权级下的栈空间中,这样的话,系统函数就可以正确获取到这些参数了。


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