5.4 特权级深入浅出

5.4.1 特权级哪点事

计算机 访问 可分为访问者和被访问者。
建立特权机制为了通过特权来检查合法性。
0、1、2、3级，数字越小，权力越大。
0特权级是系统内核特权级。
用户程序是3特权级，被设计为“有需求就找操作系统”，所以不需要太大能力。

5.4.2 TSS 简介

Task State Segment 任务状态段。用于存储任务环境。104字节是TSS的最小尺寸，根据需要还可以接上个IO位图。

当任务在特权级变化的时候，如果说使用同一个栈来容纳所有特权级的数据，就会导致栈中数据混乱、栈溢出的问题。
所以TSS 中有3个栈。分别是:
ss0,sp0
ss1,sp1
ss2,sp2

TSS是处理器硬件原生的系统级数据结构。
特权级分为两类：

1. 低特权到高特权级
   此时 3 可以到 2 1 0 ，2 可以到 1 0 ，1 可以到 0。这被称为“向内层转移”。
2. 高特权级到低特权级。
   在处理器 从 低到高特权时，会自动地将低特权级的栈地址（SS 和 ESP）压入转移后的高特权级所在的栈中。在返回的时候，使用如retf / iret 从高到低的时候，处理器从当前高特权级的栈中将低特权级的栈段选择子和偏移量取回。 由高到低，过程被称为"向外层转移。

TSS 也是要加载的，由 TR 寄存器加载。每次执行不同任务时候，将TR寄存器加载不同的TSS就可以了。

5.4.3 CPL 和 DPL 入门

CPL 当前特权级
DPL 目标代码段的描述符上的特权级
RPL 请求特权级

处理器当前特权级的真实面目是什么？
在任意时刻，当前特权级CPL保存在CS选择子中的RPL部分。

当前特权级为什么会变化?
当处理器从一个特权级的代码段转移到另一个特权级的代码段上执行的时候。

访问者就是当前代码段中的指令。任何时候不允许访问比自己特权更高的资源。无论是数据还是代码，在不涉及RPL的情况下分情况讨论：

1. 受访者——数据段
   访问者特权级 >= 被访问资源特权级
2. 受访者——代码段
   只能平级访问

既执行高特权级代码段上的指令，又不提升特权级，一方面是利用一致性代码段
1. 代码段是非一致性代码段，所以只能平级转移。
3. 一致性代码段（依从代码段）指如果自己是转移后的目标段，自己的特权级（DPL）一定要大于等于转移前的CPL。数值上 CPL >= DPL。一致性代码转移后的特权级不予自己的特权级（DPL）为主，而是与转移前的低特权级一致。

代码段：（比较为数值比较）
一致：CPL >= DPL：CPL 不变：低访问高
非一致：CPL == DPL：CPL 不变：平级访问

5.4.4 门、调用门 与 RPL 序

门结构就是记录一段程序起始地址的描述符。
描述符中有DPL。
任务门可以放在GDT、LDT、IDT中
调用门可以位于GDT、LDT中
中断和陷阱门只能在IDT中，不能主动调用，只能由中断信号触发。
都是来实现 低特权级转高特权级。

1. 调用门
   call 、jmp
2. 中断门
   int
3. 陷阱门
   int3
4. 任务门
   以任务状态段TSS为单位，用来任务切换。

实际上这些门都是有“门槛”的，就是 门描述符DPL。
数值上：
当前特权级 CPL <= 门的DPL
当前特权级 CPL >= 门中目标代码段的DPL

调用门也是需要选择子的。既然门是指向某个内核例程，是例程就需要参数。
调用门如何在用户3特权级下位0特权级下的内核程序传递参数?
处理器的设计，在固件上实现了参数的复制，既将用户压在3特权级下的参数自动复制到0特权级的栈中。参数需在栈中按顺序挨着，处理器只需要知道有几个参数就好。

5.4.5 调用门的过程保护

调用门涉及2个特权级，CPL和门中目标代码的DPL。
用户进程通过call指令调用“调用门”过程。

1. 在低特权级栈中压入参数。
2. 处理器自动从TSS中找到高特权级的栈选择子SS和栈指针ESP。
3. 检查新栈段描述符DPL和TYPE。
4. 如果目标代码段的DPL 特权级高于 CPL。将ss_old和esp_old保存到其他地方，使用新栈。
5. 将SS_old 和 ESP_old压入当前的高特权栈中。
6. 将用户栈中参数复制到新栈。
7. 段间远调用所以压入当前cs_old 和 eip_old。
8. 将门中代码段选择子载入 CS，偏移量放入 EIP。

如果是平级处理，则不需要更新当前栈。
retf使用时：

1. 先检查CS选择子中的RPL特权级检查.
2. 获取CS_old 和 EIP_old并对 代码段的DPL 和 选择子中的RPL做特权级检查。如果通过，则从栈中弹出数据，eip_old到eip，CS_old到cs。
3. 增加esp_new的值跳过栈中的参数。
4. 如果第一步中改变了特权级，此时从栈中弹出esp_old和 ss_old。恢复旧栈。
   注意：返回的时候会检查数据段寄存器 DS、ES、FS、GS内容，如果其中选择子指向的数据段描述符DPL权限大于返回后的CPL，处理器会把数值0填充到相应的段寄存器中引发异常。

5.4.6 RPL的前世今生

在访问代码段的时候,是一个特权限制条件；
在访问数据段的时候，将CPL赋值给RPL 确定对数据操作的真实身份是用户还是操作系统。

要让受访问者清除真正请求资源的是用户还是系统。
在请求某特权级位DPL级别的 资源(数据) 的时候，参与检查的除了 CPL 还要加上 RPL。
数值上：
CPI <= DPL && RPL <= DPL;
为了安全起见 操作系统会将RPL改为用户程序的CPL。
RPL引入是为了避免低特权级的程序访问高特权级的资源。
符合的样例如 0 <= 3 && 3 <= 3 当前为系统权限，之前是用户，对用户数据操作
或是 0 <= 3 && 0 <= 3 当前为系统权限，之前是系统，对用户数据操作
或是 0 <= 0 && 0 <= 0。当前为系统权限，之前是系统，对系统数据操作

特权级检查发生在什么时候?
在段寄存器中加载选择子访问描述符的时候。

不通过调用门直接访问数据和代码时的特权级检查规则
代码段：

• 目标非一致代码段
  数值上 CPLRPL目标代码段DPL
• 一致性代码段
  数值上 CPL >= 目标代码段 DPL && RPL >= 目标代码段DPL。

数据段
数值上： CPL <= 目标数据段 DPL && RPL <= 目标数据段 DPL。
栈段
数值上：CPLRPL用作栈的目标数据段DPL。

对于门来说，处理器在检查特权级时：

1. 要求CPL 和 RPL 在 DPL_GATE 和 DPL_CODE 之间
2. (选择子上的)RPL 只在近调用门时 和 DPL_GATE 比较一次，然后 CPL 和 DPL_CODE 比较。
   数值上：DPL_GATE >= CPL >= DPL_CODE
   数值上：RPL <= DPL_GATE。

调用门使用 call 指令 和 jmp 指令。
jmp 只能平级

数值上：CPL == 目标代码段DPL
数值上：DPL_GATE >= CPL = =DPL_CODE && RPL <= DPL_GATE。

jmp就是被设计用于平级转移的。所以jmp 只用在不需要特权级变化，且不从调用门返回的场合。