有关 x86 系统中段选择器的详细信息

我将尝试用尽可能简单的术语来解释这一点。

什么是细分？

分段是将内存划分为多个段的想法。这些区段具有基址和限制（或大小）。

传统上，在实模式（DOS时代）中，段定义如下：

base_address = segment_register * 16
limit = 64 KiB

但是，在保护模式下，段不再像这样定义。相反，有一个表格，其中包含有关每个细分的详细信息。作为奖励，它不仅描述了基址和限制，还描述了使用它所需的权限（这就是为什么它被称为保护模式）以及它是 16 位还是 32 位段。

全局描述符表 （GDT)

GDT 是由操作系统在内存中设置的表（即数组），其中包含描述符。它们有 2 种类型：段描述符（定义段及其所有属性）和系统描述符（定义内存中的各种操作系统结构，有些很重要，有些不那么重要）。

操作系统使用特权 lgdt 指令告知 CPU 此表的位置。但是，如果在用户模式代码中尝试它，它将出错。

区段描述符

区段描述符定义区段。请参阅下文，了解如何实际加载和使用一个。区段描述符具有此格式。

段选择器

段选择器只是 GDT 的索引。它们具有特定格式，其中最后 3 位用于其他目的（位 2 是表指示器，而位 1-0 是请求的权限级别）。只有第 15-3 位描述实际索引。例如，选择器指示 GDT 中的索引 4（从 0 开始）。0x20

段寄存器

段寄存器（、、、和）设计用于在使用时存储这些选择器。但是，当它们不使用时，它们可以存储在内存或任何其他地方。CSDSESFSGSSS

NULL 选择器充当 C 的 NULL 指针。您可以自由地将其加载到段寄存器中，但任何使用它的尝试都会出错。

例如：内存访问（例如将相对于 所描述的段基）（或者您可以显式指定段寄存器，例如 ）。[ebx]DS[es:ebx]

在实模式下，这样的指令会访问内存地址。但是，在保护模式下，基址取自 GDT（在 表示的索引处），并将偏移量添加到其中。好的部分是，如果 指示的描述符是特权的，但进行内存访问的代码不是，它将出现常规保护故障。ds * 16 + ebxDSebxDS

区段描述符是如何创建的？

如前所述，段描述符是 GDT 的一部分，由操作系统创建。段选择器（通常）由操作系统提供给应用程序。如果需要，应用程序可以自由设置自己的选择器，前提是相应的描述符存在并且可以访问（在现代操作系统中几乎从未出现过这种情况）。

您可以有多个段选择器吗？

一个人可以而且总是有多个选择器。这是因为必须引用代码段描述符，而其他所有内容都引用数据段描述符。CS

每次访问内存访问 GDT 是不是很慢？

是的。如果是这种情况，则每次有人访问内存时，CPU 都必须访问正确的 GDT 条目，以便验证权限级别并获取段基数和计算限制。

幸运的是，每当您加载段寄存器时，CPU 都会缓存这些条目（到所谓的描述符缓存中）。这就是为什么加载段寄存器是一项相当昂贵的操作。然后，这些缓存将保证保持不变，直到您再次重新加载相应的段寄存器。这包括在不恢复描述符缓存的情况下切换出保护模式（这就是进入虚幻模式的方式）。

现代 32 位系统上的分段

无法在 x86 上禁用分段，但可以...井。。。绕过。通过将所有描述符设置为具有基本 0 和 4GiB 限制，您基本上绕过了分段的所有优点和缺点。

所有现代系统都使用分页来实现内存保护。但是，仍然需要分段，因为它强制执行权限级别。GDT 中的每个描述符都有一个 DPL（描述符权限级别）字段。这就是强制执行所谓的特权环的原因。如果用户模式应用程序有权访问环 0 选择器，则它可以执行特权指令并绕过所有保护机制，包括分页。

除此之外，还有一些系统结构（在GDT中使用系统描述符定义），例如任务状态段（TSS），它们对操作系统至关重要。例如，TSS 可确保当发生从环 3 到环 0 的任何转换时，堆栈 （） 将切换到已知的内核堆栈，因为用户模式堆栈不可信。SS:ESP

分段仍用于 和 寄存器。在 Windows 中，引用指向线程信息块的描述符，而 NULL。FSGSFSGS

64 位系统上的分段

在 64 位模式下，分段几乎被禁用。唯一真正重要的选择器是 ，它根据 DPL 字段设置权限级别。和 寄存器未使用。 并设置为 0（在 64 位模式下，NULL 选择器不执行任何操作，使用时不会出错），同时仍然指向描述符（加载 NULL 错误），尽管我不确定为什么它不能为 0。CSDSESSSDSESSS

但是，描述符不能设置基数或限制*。从本质上讲，CPU 创建的环境必须以 32 位模式手动创建。内存保护是通过分页实现的，这在 64 位模式下是必需的。

有一种方法可以设置 和 选择器的基础（请参阅 WRFSBASE 和 WRGSBASE 说明）。这完全不会影响 GDT 条目（它们仍然只有 32 位基数的空间），而是直接修改描述符缓存（寄存器本身通常设置为 0）。Windows 64 位使用而不是指向 TIB。FSGSGSFS

* 某些 CPU 支持在 256TiB 地址空间的最后 4GiB 中设置段限制。据我了解，这样做是为了在硬件虚拟化（VT-x 和 AMD-V）出现之前促进软件虚拟化。