關(guān)于實(shí)例三的說(shuō)明
有些步驟的實(shí)現方法已在前面的實(shí)例中做過(guò)介紹，下面就任務(wù)內無(wú)特權級變換的轉移和使用局部 描述符LDT等作些說(shuō)明：
(1)實(shí)模式下初始化LDT
演示任務(wù)使用了局部描述符表LDT，本實(shí)例中該LDT在實(shí)模式下初始化(當然，也可以在使用LDT前 的保護模式初始化)。為了簡(jiǎn)便，LDT中各描述符的界限和屬性值在定義時(shí)預置，利用一個(gè)子程序 設置各段的段基地址。為方便起見(jiàn)，在定義時(shí)把各段的段值安排在相應描述符的段基地址低16位 字段中。由于實(shí)例中各段在實(shí)模式下定位(這是因為程序是從實(shí)模式下啟動(dòng)執行的)，所以把段值 乘以16就是對應的段基地址。
(2)裝載LDTR寄存器
在使用LDT之前，還要裝載局部描述符表寄存器LDTR。本實(shí)例中的如下兩條指令用于裝載LDTR：
mov ax,LDT_SELlldt ax
LLDT指令是專(zhuān)門(mén)用于裝載LDTR的指令。該指令的操作數是對應LDT段描述符的選擇子。根據該選擇子， 處理器從GDT中取出相應的LDT段描述符，在進(jìn)行合法性等檢查后，LDT段描述符的基地址和界限等信息 被裝入LDTR的高速緩沖寄存器中。由于要引用GDT，所以不能在實(shí)模式下裝載LDTR。在“操作系統類(lèi)指 令”一文中將對LLDT指令作詳細說(shuō)明。
(3)利用段間轉移指令JMP實(shí)現任務(wù)內無(wú)特權級的轉移
在本實(shí)例中進(jìn)入保護方式后，特權級是0。通過(guò)如下段間直接轉移指令實(shí)現從代碼段K到代碼段L的轉移：
JUMP16 CodeL_Sel,Virtual2
其中，選擇子CodeL_Sel是對應代碼段L的描述符的選擇子。該描述符在LDT中，所以選擇子中的描述 符表指示位TI為1。描述符特權級是0，表示對應代碼段的特權級是0，選擇子中的請求特權級RPL也 是0。目標代碼段不是一致代碼段，所以在CPL=DPL，RPL<=DPL的情況下，順利進(jìn)行相同特權級的轉 移：目標代碼段的選擇子CodeL_Sel被裝入CS，對應描述符中的信息被裝入高速緩沖寄存器中，偏移 量Virtual2被裝入指令指針寄存器。由于是16位代碼段，所以偏移用16位表示。
類(lèi)似地，通過(guò)如下段間直接轉移指令實(shí)現從代碼段L轉移到代碼段K：
JUMP16 CodeK_Sel,Virtual3
其中，選擇子CodeK_Sel是對應代碼段K的描述符選擇子。由于描述符在GDT中，所以選擇子中的TI位是0。
(4)利用段間調用指令CALL實(shí)現任務(wù)內無(wú)特權級變換的轉移
在代碼段L中，通過(guò)段間直接調用指令CALL調用了在代碼段C中的兩個(gè)子程序，這些調用都是無(wú)特權級變 換的轉移。例如，利用如下指令調用了顯示字符串子程序DispMsg：
CALL16 CodeC_Sel,DispMsg
其中，CodeC_Sel是代碼段C的選擇子，DispMsg表示子程序的入口。描述代碼段C的描述符在LDT中， 描述符特權級DPL是0，所以使用的選擇子CodeC_Sel的請求特權級RPL是0，描述符表指示位TI為1。 目標代碼段C不是一致代碼段，所以在CPL=DPL，RPL<=DPL的情況下，順利進(jìn)行相同特權級的轉移： 當前CS和IP壓入堆棧，目標代碼段的選擇子CodeC_Sel被裝入CS，對應描述符中的信息被裝入高速緩 沖寄存器中，16位偏移DispMsg被裝入指令指針I(yè)P。由于是16位段，所以偏移用16位表示，壓入堆棧 的是字而不是雙字。
(5)段間返回指令RET實(shí)現任務(wù)內無(wú)特權級變換的轉移
段間返回指令RET從堆棧的棧頂彈出返回地址(由選擇子和偏移)構成。彈出選擇子內的RPL=CPL，并 且對應DPL=CPL，RPL<=DPL是當然的，所以能順利進(jìn)行相同特權級的轉移。
3.別名技術(shù)
在上述實(shí)例三中，使用了兩個(gè)描述符來(lái)描述演示任務(wù)的LDT段。段描述符LDTable被安排在GDT中， 它是系統段描述符，把段LDTSeg描述成演示任務(wù)的局部描述符表LDT。描述符ToLDT被安排在LDT中， 它是數據段描述符，把段LDTSeg描述成一個(gè)普通數據段。描述符LDTable被裝載到LDTR，描述 符ToLDT被裝載到某個(gè)數據段寄存器。為什么要這樣處理呢？根據實(shí)例三的功能要求，需要訪(fǎng)問(wèn)演示 任務(wù)的局部描述符表LDT段，以取得代碼段L的段界限值，這需要通過(guò)某個(gè)段寄存器進(jìn)行， 但不能把系統段描述符的選擇子裝載到段寄存器，所以采 用兩個(gè)描述符來(lái)描述段LDTSeg。
這種為了滿(mǎn)足對同一個(gè)段實(shí)施不同方式操作的需要，而用多個(gè)描述符加以描述的技術(shù)稱(chēng)為別名技術(shù)。 在保護方式程序設計中，常常要采用別名技術(shù)。例如：用兩個(gè)具有不同類(lèi)型值的描述符來(lái)描述同一個(gè) 段。再如，用兩個(gè)具有不同DPL的描述符來(lái)描述同一個(gè)段。
<三>任務(wù)內不同特權級的變換
在一個(gè)任務(wù)內可以存在四種特權級，所以常常會(huì )發(fā)生不同特權級之間的變換。例如，外層的應用程 序調用內層操作系統的例程，以獲得必要的諸如存儲器分配等系統服務(wù)。內層操作系統的例程完成 后，返回到外層應用程序。
在同一任務(wù)內，實(shí)現特權級從外層到內層變換的普通途徑是使用段間調用指令CALL，通過(guò)調用門(mén)進(jìn) 行轉移；實(shí)現特權級從內層向外層變換的普通途徑是使用段間返回指令RET。注意，不能用JMP指令 實(shí)現任務(wù)內不同特權級的變換。
1.通過(guò)調用門(mén)的轉移
當段間轉移指令JMP和段間調用指令CALL所含指針的選擇子指示調用門(mén)描述符時(shí)，就可以實(shí)現通過(guò) 調用門(mén)的轉移。但只有CALL指令能變換到內層的特權級，JMP指令只能轉移到同級的代碼。
調用門(mén)描述符轉移的入口點(diǎn)包含目標地址的段及偏移量的48位全指針。在執行通過(guò)任務(wù)門(mén)的段間轉 移指令JMP或段間調用指令CALL時(shí)，指令所含指針內的選擇子用 于確定調用門(mén)，而偏移被丟棄；把調用門(mén)內的48位全指針作為目標地址指針進(jìn)行轉移。
處理器采用與訪(fǎng)問(wèn)數據段相同的特權級規則控制對門(mén)描述符的訪(fǎng)問(wèn)。調用門(mén)描述符的DPL規定了訪(fǎng) 問(wèn)該門(mén)的最外層特權級，在取出調用門(mén)內的48位全指針，把它作為目標地址指針向目標代碼段轉移 之前，要進(jìn)行特權級檢查。只有在相同級或者更內層特權級的程序才可訪(fǎng)問(wèn)調用門(mén)，即CPL<=調用 門(mén)的DPL。同時(shí)，還要求指示門(mén)的選擇子的RPL必須滿(mǎn)足RPL<=調 用門(mén)的DPL的條件。檢測通過(guò)后，才開(kāi)始向目標代碼段轉移的步驟。其中還要檢測目標描述 符是否為代碼段描述符，調用門(mén)內的選擇子指示的描述符必須是代碼段描述符。此外，在裝載代碼 段描述符高速緩沖寄存器之前調整代碼段選擇子的RPL=0，也即調用門(mén)中代碼段選擇子的RPL被忽略。
在裝載CS高速緩沖寄存器時(shí)，還要對目標代碼段描述符進(jìn)行保護檢測。檢測過(guò)程中的DPL不再是調 用門(mén)的DPL，而是調用門(mén)內選擇子所指示的目標代碼段描述符的DPL。段間調用指令CALL和段間轉移 指令JMP所做的檢測不一樣。
對于使用調用門(mén)的段間轉移指令JMP，檢測條件與段間直接轉移相同。由于已置RPL=0，所以可認為 RPL<=DPL的條件總能滿(mǎn)足。所以，對于普通的非一致代碼段，當CPL=DPL時(shí)，發(fā)生無(wú)特權級變換的 轉移；對于一致代碼段，在滿(mǎn)足CPL>=DPL時(shí)也發(fā)生無(wú)特權級變換的轉移；其它情形就引起異常。
對于使用調用門(mén)的段間調用指令CALL，情形就不同了。由于已置RPL=0，所以可認為RPL<=DPL的條 件總能滿(mǎn)足。對于一致代碼段，在滿(mǎn)足CPL>=DPL時(shí)發(fā)生無(wú)特權級變換的轉移。對于非一致代碼段， 當CPL=DPL時(shí)，仍發(fā)生無(wú)特權級變換的轉移；當CPL>DPL時(shí)，就發(fā)生向內層特權級變換的轉移，將調 用門(mén)中的選擇子和偏移裝入CS和指令指針EIP中，并使CPL保持等于DPL，同時(shí)切換到內層堆棧。
綜上所述，使用段間調用指令CALL，通過(guò)調用門(mén)可以實(shí)現從外層程序調用進(jìn)入內層程序(JMP指令只 能實(shí)現無(wú)特權級變換的轉移)；通過(guò)調用門(mén)也可實(shí)現無(wú)特權級變換的轉移。需要注意的是，JMP指令 和CALL指令都不能實(shí)現向外層特權級的轉移否則會(huì )引起異常。
當然，CALL指令在最后把目標代碼段的指針裝入CS和EIP之前，要把原CS和EIP，即返回地址保存到 堆棧。如無(wú)特權級變換，堆棧保持不變，返回地址就保存在原堆棧中；否則，返回地址保存在內層 堆棧中。
2.堆棧切換
在使用CALL指令通過(guò)調用門(mén)向內層轉移時(shí)，不僅特權級發(fā)生變換，控制轉移到一個(gè)新的代碼段，而 且也切換到內層的堆棧段。從本教程第五篇的任務(wù)狀態(tài)段TSS的格式可見(jiàn)，TSS中包含有指 向0級、1級和2級堆棧的指針。在特權級發(fā)生向內層變換時(shí)，根據變換到的特權級使用TSS中相應的 堆棧指針對SS及ESP寄存器進(jìn)行初始化，建立起一個(gè)空棧。
在建立起內層堆棧后，處理器先把外層堆棧的指針SS及ESP寄存器的值壓入內層堆棧，以使得相應 的向外層返回可恢復原來(lái)的外層堆棧。然后，從外層堆棧復制以雙字為單位的調用參數到內層堆棧 中，調用門(mén)中的DCOUNT字段值決定了復制參數的數量。這些被復制的參數是主程序通過(guò)堆棧傳遞給 子程序的實(shí)參，在調用之前被壓入外層堆棧。通過(guò)復制棧中的參數，使內層的子程序不需要考慮堆 棧的切換，而容易地訪(fǎng)問(wèn)主程序傳遞過(guò)來(lái)的實(shí)參。最后，調用的返回地址被壓入堆棧，以便在調用 結束時(shí)返回。下圖為在向內層變換時(shí)，建立內層堆棧，并從外層堆棧復制2個(gè)雙字參數到內層堆棧 的示意圖。圖中每項是雙字，可見(jiàn)的段寄存器內的選擇子被擴展成32為存入堆棧，高16位為0。對 于16位的使用調用門(mén)的段也是如此。
需要注意的是，無(wú)論是否通過(guò)調用門(mén)，只要不發(fā)生特權級變換，就不會(huì )切換堆棧。
3.向外層返回
與使用CALL指令通過(guò)調用門(mén)向內層變換相反，使用RET指令實(shí)現向外層返回。段間返回指令RET從 堆棧中彈出返回地址，并且可以采用調整ESP的方法，跳過(guò)相應的在調用之前壓入堆棧的參數。返 回地址的選擇子指示要返回的代碼段的描述符，從而確定返回的代碼段。選擇子的RPL確定返回后 的特權級，而不是對應描述符的DPL，這是因為，段間返回指令RET可能使控制返回到一致代碼段， 而一致代碼段可以在DPL規定的特權級以外的特權級執行。需要注意的是，RET指令所使用的返回 地址的選擇子只能使用代碼段描述符，而不能使用任何系統段描述符或門(mén)描述符，當然，更不能 使用數據段描述符，否則會(huì )引起異常。與CALL指令相對應，RET指令也不能向內層返回。
段間返回指令完成返回的步驟如下：
(1)RET指令先從堆棧中彈出返回地址。如果彈出地址的選擇子的RPL規定相對于CPL更外層的特權 級，那么就引起向外層返回。
(2)為向外層返回，跳過(guò)內層堆棧中的參數，再從內層棧中彈出指向外層堆棧的指針，并裝入SS及 ESP，以恢復外層堆棧。
(3)調整ESP，跳過(guò)在相應的調用之前壓入到外層堆棧的參數。即返回指令不但彈出內層棧的參數， 而且也彈出外層棧的參數。
(4)然后，檢查數據段寄存器DS、ES、FS及GS，以保證尋址的段在外層是可訪(fǎng)問(wèn)的，如果段寄存器 尋址的段在外層是不可訪(fǎng)問(wèn)的，那么裝入一個(gè)空選擇子，以避免在返回時(shí)發(fā)生保護空洞。
(5)返回外層繼續執行。
上述五步是對帶立即數的段間返回指令而言的，立即數規定了堆棧中要跳過(guò)的參數的字節數。對于 無(wú)立即數的段間返回指令缺少第二步和第三步。若RET指令不需要向外層返回，那么就只 有(1)和(5)兩步。對于有通過(guò)堆棧傳遞參數的子程序，必須使用帶立即數的返回指令返回，否則返 回時(shí)會(huì )裝載錯誤的外層棧指針。
若不使用帶立即數的返回指令，可以在返回前把外層棧的棧指針存入內層棧中的用于保存返回地址 上方兩個(gè)雙字的區域中，由外層返回的過(guò)程可知，這可正確恢復外層棧的指針，但在外層程序中， 必須人為調整外層棧指針，以便廢除在外層棧中壓入的參數。在使用C調用約定的程序中可使用此 方法。但這會(huì )增加代碼的長(cháng)度和處理時(shí)間，使代碼效率變低。正因為如此，在Windows 9X下，新增 加了一種STDCALL的調用約定，它正是為了適應Intel系列處理器的體系結構而產(chǎn)生的。
<四>演示任務(wù)內特權級變換的實(shí)例(實(shí)例四)
下面給出一個(gè)演示任務(wù)內特權級變換的實(shí)例。該實(shí)例演示在任務(wù)內通過(guò)調用門(mén)從外層特權級變換到 內層特權級；也演示通過(guò)段間返回指令從內層特權級變換到外層特權級；還演示通過(guò)調用門(mén)的無(wú)特 權級變換的轉移。實(shí)例使用了任務(wù)狀態(tài)段TSS，這是因為任務(wù)內特權級變換時(shí)要使用的內層堆棧指 針存放在TSS中。
1.實(shí)現步驟
該實(shí)例的實(shí)現步驟為：
(1)實(shí)方式下初始化；
(2)切換到保護模式；
(3)設置TR和LDTR。由于在任務(wù)內發(fā)生特權級變換時(shí)要切換堆棧，而內層堆棧的指針存放在當前任 務(wù)的TSS中，所以在進(jìn)入保護模式后設置任務(wù)狀態(tài)段寄存器TR。由于演示任務(wù)使用了局部描述符表 ，所以設置LDTR；
(4)經(jīng)調用門(mén)進(jìn)入32位過(guò)渡代碼段；
(5)建立返回3級演示代碼段的環(huán)境；
(6)利用RET指令轉移到3級的演示代碼段。為了演示外層程序通過(guò)調用門(mén)調用內層程序，要 使CPL>0。實(shí)例先通過(guò)段間返回指令RET從特權級0變換到特權級3的演示代碼段。在特權級3下， 通過(guò)調用門(mén)調用1級的子程序。隨著(zhù)執行段間返回指令RET，又回到3級的演示代碼段；
(7)在3級的演示代碼段中，經(jīng)調用門(mén)轉移到0級的32位過(guò)渡代碼段；
(8)直接轉0級的臨時(shí)代碼段；
(9)準備返回實(shí)模式；
(10)切換回實(shí)模式；
(11)實(shí)模式下的恢復工作。
2.源程序組織和清單
實(shí)例四由如下部分組成：
(1)全局描述符表GDT。GDT含有演示任務(wù)的TSS段描述符和LDT段描述符，此外還含有臨時(shí)代碼段 的描述符、規范數據段描述符和視頻緩沖區段描述符。
(2)演示任務(wù)的LDT段。它含有除臨時(shí)代碼段外的其它代碼段的描述符和演示任務(wù)各級堆棧段描 述符，還含有3個(gè)調用門(mén)。
(3)演示任務(wù)的TSS段。
(4)演示任務(wù)的0級、1級和3級堆棧段。
(5)顯示子程序段。32位代碼段，特權級1。
(6)演示代碼段。32位代碼段，特權級3。
(7)過(guò)渡代碼段。32位段，特權級0。
(8)臨時(shí)代碼段。16位段，特權級0。
(9)實(shí)模式下的數據和代碼段。
該實(shí)例的邏輯功能是顯示演示代碼段執行時(shí)的當前特權級CPL。源程序清單如下：
