提问人：OSdev 提问时间：2/17/2022 最后编辑：DarkAtomOSdev 更新时间：11/17/2023 访问量：604
用户模式进程的 I/O 指令
I/O instructions by user-mode process
问：
有两种方法可以访问硬件：
- 通过内存映射 I/O （MMIO）
- 通过 I/O 端口
如果用户模式进程直接想要在不使用系统调用的情况下访问 I/O，并且它知道特定的硬件，则无法通过内存映射 I/O 访问它，因为它不在其地址空间中，因此将发生分段错误。但是，使用 I/O 端口来执行此操作呢？由于 I/O 端口不在内存地址空间中，而是由处理器直接执行的指令访问的，会发生什么，进程是否可以访问它们？
答：
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DarkAtom
2/17/2022
#1
短版
不。例如，在 x86 体系结构中，并且是只能在环 0 中运行的特权指令。由于用户模式应用程序在环 3 上运行，因此 CPU 在尝试执行该指令时会出现故障。inout
加长版
通常，在强制执行内存保护和进程分离的操作系统（如 Windows、Linux、Mac OS，但不包括 DOS）中，用户模式应用程序无法直接访问硬件，并使用系统调用要求内核代表它们执行所需的操作。然后，内核可以决定应用程序是否有权执行上述操作，该操作是否安全等。
如果用户模式应用程序能够做任何通常只能由内核完成的事情，那么它就是一个错误/后门，并且是内核（有时是 CPU 本身）中的巨大安全漏洞。
在 x86 体系结构上，I/O 端口指令在除实模式之外的所有操作模式下都具有特权。尝试执行任何特权指令都会产生故障（具体来说，General-Protection Fault，对应于 ）。#GPINT 0xD
为了允许用户模式驱动程序等进程正常工作，OS 能够通过 2 种方式覆盖 I/O 指令的此特权状态：
- 使用寄存器中的（I/O 权限级别）字段（位 12 和 13）。这是一个介于 0 到 3 之间的数字，用于指定可以运行 I/O 指令的最低特权环。设置为 3 将允许所有进程访问任何 I/O 端口，这是不安全的，并且违背了保护内存等其他所有内容的目的。因此，操作系统通常将此字段设置为 0。
IOPLFLAGSIOPL - 使用任务状态段 （TSS） 结构中的 （I/O 权限位图） 位字段。这只是一个 65536 位的集合，每个位指定是否可以访问 I/O 端口 （） 或不能访问 （）。如果用户模式驱动程序需要访问端口，则操作系统可以清除 TSS 中的相应位，并允许用户模式代码仅访问该端口，即使 .如果操作系统不包括所有 65536 位，则 CPU 会假定缺少的位是特权位，因此无法访问。
IOPB010xABIOPL=0
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11/17/2023
#2
确定。访问 I/O 端口的权限位于标志寄存器的两个位中。由于每个任务都有自己唯一的标志寄存器副本，因此每个任务可以具有不同的访问权限或 I/O 权限级别 （）。主要功能是执行 I/O（内核模式或用户模式驱动程序）的任务可以从 of 中受益，从而允许任务的所有过程执行 I/O。其他任务通常将 IOPL 设置为 或 ，保留对最特权过程执行 I/O 指令的权限。因此，如果要访问特定任务的 I/O 端口，则应为此任务设置为 I/O 端口。IOPLIOPL301IOPL3
在旧版本的 Windows 中，如 Windows XP，可以通过调用并设置为 来完成。NtSetInformationProcessProcessInformationClass.ProcessUserModeIOPL3
不知道更新的版本。
下面是一个示例。
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