[笔记] Windows内核课程：保护模式《一》保护模式

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前言

基础

CPU起源

• 特德 霍夫 1971年11月15日 发明了第一款微处理器。
• …
• 英特尔奔腾Pentium 最大区别是引入超线程

超线程：英特尔® 超线程技术是一项硬件创新，允许在每个内核上运行多个线程。更多的线程意味着可以并行完成更多的工作。
超线程如何工作？当英特尔® 超线程技术处于激活状态时，CPU 会在每个物理内核上公开两个执行上下文。这意味着，一个物理内核现在就像两个“逻辑内核”一样，可以处理不同的软件线程。较之传统的单线程内核，两个逻辑内核可以更有效地完成任务。英特尔® 超线程 (HT) 技术充分利用了内核以前在等待其他任务完成时的空闲时间，提高了 CPU 吞吐量。

CPU结构

CPU物理结构

CPU芯片：CPU芯片是计算机的大脑，负责处理和执行各种计算任务，是实现计算能力的核心组件。
CPU引脚：CPU引脚是芯片上的金属接点，用于与其他电子器件进行电连接和数据传输，扮演着信息输入输出和控制信号传递的重要角色。

CPU逻辑结构

控制单元：
CPU控制单元是CPU的关键部件，负责解析和执行指令，协调各个部件的工作，以及控制数据流程和处理器状态的转换。它是CPU的指挥中心，确保计算机按照预定的程序顺序执行操作。

控制指令：
CPU控制指令是一组特定的机器指令，用于控制CPU的操作，例如跳转、支、循环等，以及控制其他外设和存储器的读写操作，从而实现程序的顺序执行和数据处理。

存储单元：
CPU存储单元是用于存储和访问数据的部件，包括寄存器和高速缓存，用于暂时存储指令和数据，以提高CPU的运行效率和数据访问速度。

数据：数据是指在计算机中用来表示和处理信息的数字、字符、图像等各种形式的数据，包括被处理的输入数据、中间计算结果和最终的输出数据等。

运算单元：
CPU运算单元是CPU的核心组成部分，负责执行各种算术、逻辑和控制操作，包括整数运算、浮点运算、位操作等，以实现计算机的运算和处理功能。

4004、8008、8080阶段CPU结构

CPU架构

• RISC架构（Arm）
• CISC架构（x86）

1. RISC 更简单
2. CISC可变长指令，指令集更多。反之RISC只有几百条指令，更少。
3. RISC功耗低
4. RISC也有保护模式
5. CISC段页 4k,RISC段页2k

cisc架构指令的执行过程

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段:

• 取指令、
• 指令译码
• 访存取数
• 执行指令
• 结果写回

例如：

eip:  mov eax,dword ptr ds:[0x12345678]
1

转为机器码：

0xb8 0x78,0x56,0x34,0x12
1

执行该指令会经过几个阶段：

• 先取0xb8 # 取指令
• 0xb8解码为mov # 指令译码
• 读取0x12345678内存数据 # 访存取数
• 执行mov

指令预取，一般在EIP指向当前代码段时，会存在预取过程（本地缓存）（预取会并行执行以上后4个步骤（指令译码…），预取缓存大概9-32条指令。

JMP EIP 和JCC（JZ，JC EIP）区别：

1. JMP 会清空本地缓存，JCC不会
2. JMP比JCC指令长，JCC 2字节，JMP 4字节
3. JMP指令跳转范围最大2G，JCC范围-127-128字节。这种跳转范围会影响性能。

0x12345678 实际是逻辑地址，逻辑地址=段地址*10+偏移地址，
而保护模式是访问一个表，访问标识为ds的项，并且检查你是否有权限访问ds项，一般是ds段寄存器对应的段描述符，记录该段是否有权限访问某内存。

实模式的结束和保护模式的起源

WinNT之前

例如win95,win98 winxp 都是实模式，内存都是线性内存，如下图。

逻辑地址的计算：线性地址=段地址*0x10+偏移地址，

缺点：

• 内存不安全，随意的进程 即可通过偏移内存的方式修改内核

WinNT之后

例如win7之后，主要通过GDT将ring3和ring0内存区分开

然后出现段页来区分每个进程地址的上下文，来访问进程的内存。

什么是保护模式？

x86 CPU的三种模式：

• 实模式
• 保护模式
• 虚拟8086模式

保护模式实际是保护寄存器

为什么不直接讲x64的

x86是由Intel推出的一种复杂指令集能够生产支持，这种指令集。

CPU公司主要是Intel和AMD

AMD在1999年的时候，拓展了这套指令集，称为x86-64,后改名为AMD64,Intel也兼容了这个产品，称为Intel64.但AMD64和ntel64几乎是一样的，所以在很多资料中统称为x64.

这套指令集是对x86的拓展，向下兼容的。

保护模式有什么特点？

• 段的机制
• 页的机制

参考书

Intel白皮书第三卷
滴水内部教程

实践项目

反调试
PCHuter

总结

需要c语言，汇编基础会更好