DIY操作系统（6）：特权级、CPL、DPL、RPL

参考

CPL RPL与DPL 之间的区别和联系

特权级

TSS

Task State Segment，任务状态段，本质是一种用于存储任务运行环境的数据结构，是处理器在硬件上原生支持多任务的一种实现方式。任务分为用户部分和内核部分，加起来才是能让处理器完整运行的程序

TSS可唯一标识一个任务，32位系统下TSS的最小尺寸为104B，结构如下图。

处理任务时可能需要进行特权级切换，其本质是处理器的当前特权级在切换，而切换前后应该用不同的栈，否则会使栈中的数据混乱。一共四个特权级，故一个任务最多有四个栈，而TSS中只指示了三个栈，如SS0表示0级栈的段选择子，ESP0表示0级栈的偏移量，这和特权级切换有关。

特权级切换

1. 由低到高：由中断门、调用门等手段实现，切换时处理器自动地从TSS中找到对应的高特权栈的地址，因此TSS中不需要记录3特权级的栈，因为它是最低的，不可能有从低到高的切换。按照此种思想，可知3特权级的程序拥有3 2 1 0 四个栈，2特权级的程序拥有2 1 0三个栈…
2. 由高到低：要明白的是，只有由低到高的切换发生后，才会发生由高到低的切换。当由低到高切换时（以3到0为例），处理器会自动把3特权级的段选择子和偏移量压入0特权级的栈中，返回时从栈中即可获得，不需要TSS参与。

CPL、DPL与RPL

段选择子的结构如下。

• DPL（Descriptor Privilege Level）：存储在段描述符中，每个段的DPL固定，描述了访问该段需要何种特权级。
• CPL（Current ~）：进程运行时，存储在代码段寄存器CS（而非其他段寄存器）的低两位（即RPL）中，描述了当前进程的特权级。
• RPL（Request ~）：CPU中有多个段寄存器，每个段寄存器中的选择子中都有RPL字段，在任意时刻，CS.RPL = CPL。RPL代表资源真正访问者的CPL。
  

由实模式切换到保护模式后，CPL为0。

一致性代码段

也称为依从代码段，用于实现低特权级的代码向高特权级代码的转移。规则为：max(CPL, RPL) >= 一致性代码段的DPL则可转移，且转移后，不会把CPL更新为一致性代码段的DPL。

这种转移本身并没有提升特权级，而只是允许执行特权级更高的代码段（并不是随意执行高特权指令），所以相对来说更安全。

访问资源

以下均为不通过调用门直接访问资源的情况：
受访者为代码段时 ：

• 如果目标为非一致性代码段（受到隔离的代码，只能在同一级别间相互访问）
  要求:数值上 CPL=RPL=目标代码段 DPL
• 如果目标为一致性代码段（不受到隔离，允许被同等级或低等级代码调用）
  要求:数值上CPL >= 目标代码段 DPL && RPL >= 目标代码段 DPL
• 有关代码的特权检查都发生在能够改变代码段寄存器CS和指令指针寄存器 EIP 的指令中，即这些指令要么改变 EIP，要么改变CS和 EIP。例如 call、 jmp, int、 ret、 sysexit 等能改变程序执行流的指令。

受访者为数据段时:

• 数值上CPL <= 目标数据段DPL && RPL <= 目标数据段 DPL
• 特权级检查会发生在往数据段寄存器中加载段选择子的时候，数据段寄存器包括 DS和附加段寄存器ES、 FS、 GS。

受访者为栈段时：

• 栈段的特权级检查比较特殊，因为在各个特权级下，处理器都要有相应的栈，往段寄存器 SS 中赋予数据段选择子时，处理器要求 CPL 等于栈段选择子对应的数据段的 DPL，即数值上 CPL=RPL =用作栈的目标数据段 DPL。

门描述符 基础

门结构是一种描述符，记录着一段特殊程序的起始地址，这段程序可以实现特权级由低到高的切换。

门结构有任务门、中断门、调用门、陷阱门四种

门描述符与段描述符的区别在于：段描述符对应的是一片内存区域，而门描述符中除了任务门外，其他三种门都对应了一段特殊程序。

联系在于：任何程序都属于某个内存段，所以程序的地址需要用代码段选择子+段内偏移来描述，门描述符（除了任务门外）是基于段描述符的，任务门有点特殊，它用任务 TSS 的描述符选择子来描述一个任务。

下图为中断门描述符格式，最核心的是代码段描述符选择子和中断程序的段内偏移。

各种门描述符的使用如下

作用：

要使用门的功能，至少需要满足两个条件：

• CPL <= 门的DPL。这样才能对门进行调用。
• CPL >= 目标代码段DPL。这样才满足由低到高提升特权级的原则。

调用门

调用门描述符的结构如下：

call 调用门选择子指令的执行流程如下（不涉及分页机制，门描述符存在GDT中）：

1. 内核例程需要参数，所以需要实现ring3程序向ring0程序的传参。参数最初是由用户程序以压入用户栈的形式提交给调用门的，为了进行“越权”的参数传递，由处理器在固件上实现参数的自动复制：即用户进程压在3特权级栈中的参数将被自动复制到0特权级栈中。在调用门描述符高32位的低位有一个5bit的字段（参数个数），供处理器使用，最多可传递31个参数。
2. 调用门选择子的高13位（索引位）乘以8，作为该调用门描述符在GDT中的偏移量，再通过GDTR得到GDT的基址，从而找到门描述符的地址，进而找到门描述符。
3. 门描述符中记录的是内核例程所在代码段的段选择子和偏移量，由此得到内核例程的起始地址。

调用门示例

假设CPU目前在执行用户进程1，CPU的当前特权级CPL = 3，用户进程试图从磁盘中读数据到自己的数据段中，磁盘操作需要交由内核处理，其向调用门提供参数，其中一项是数据段的选择子
情况1：用户提供的是自己的数据段选择子，RPL为3，通过调用门后执行内核代码段，其CPL变为0，访问此DPL = 3的数据段，则操作系统检查：CPL <= DPL成立，RPL <= DPL成立，成功。
情况2：用户提供的是内核的数据段选择子，RPL为0，但通过调用门时操作系统对选择子的RPL进行修改，改为其CPL值，即为3，通过调用门后CPL = 0，此时若访试图访问DPL = 0 的内核数据段，则不满足RPL <= DPL的条件，失败。

用户进程的切换

用户进程需要使用iretd返回指令才能上CPU运行，CPU在执行iretd指令时作特权检查，检查DS、ES、FS、GS用于存储选择子的段寄存器，若有任一个段寄存器所指的段描述符的DPL权限高于从iretd命令返回后的CPL，CPU会将该段寄存器赋值为0，以免低特权级程序有访问高特权级资源的机会。