操作系统--特权级切换

学习特权级切换，关键知识点是：

1. 两个指令call和iret。
2. 一个CPU特性：特权级变换时会将一个特权级的堆栈复制到另外一个特权级堆栈。

从低到高

只有使用调用门才能从低特权级转移到高特权级，更具体地说，是使用语句call 门选择子。

门描述符

门选择子的结构和段选择子一致，只不过它指向的是门描述符而不是段描述符。

门描述符和段描述符占用的内存空间相同，都是8个字节，64个bit。可后者包含的元素是：

1. 目标代码段选择子。
2. 在目标代码段中的偏移量。
3. ParamCount。这是什么？后面再解释。
4. 门描述符的属性。

代码

使用调用门从低特权级转移到高特权级的代码是：

push	ax
push	bx
;SelectorGate 指向一个高特权级的目标代码段
call	SelectorGate:0

ParamCount

入栈了2个元素，2就是上文提到的ParamCount。可以把它理解成函数的参数。在门描述符中，ParamCount占用5个bit位，能表示的最大值是2的5次方-1，即31。这意味着，使用一个调用门，最多能入栈31个元素。

堆栈复制

假定，上面的代码的能成功从低特权级代码段L转移到高特权级代码段H。L和H是不同的代码段，各自的堆栈也不同。这不是必须的。L和H共用一个堆栈，也不是不行。这样的话，在H中操作堆栈可能会破坏L中的堆栈（总之，存在这种可能）。所以，代码段拥有独立的堆栈更好。

那么，问题来了。入栈操作发生在L中，被入栈元素存在于L的堆栈LS，在H中怎么从LS中获取数据呢？也许存在方法，但一定很繁琐。现实中，CPU会自动把LS中的元素复制到H的堆栈中。并非复制LS中的全部元素，而是从LS的栈顶开始，复制ParamCount个元素。这个复制操作发生在call执行的时候。

示意图

短调用是段内部的调用，长调用是段之间的调用。长调用才能从低特权级转移到高特权级。

短调用和长调用示意图之间的差别，仅仅在于后者把cs入栈了。cs是调用者的代码段选择子。

示意图中的堆栈，是H的堆栈HS。

短调用

长调用

CPU工作流程--调用门

调用门的运行过程，涉及LS和HS两个堆栈。上面的示意图只画出了HS的状态，不足以阐述调用门的整个流程，本小节再用文字详细说明调用门的运行过程。

TSS

先介绍一个新东西，TSS，任务状态寄存器，一个寄存器。CPU在切换任务的时候，能用TSS给切换下来的任务建立一个快照，这个快照包含一个任务的所有寄存器数据。不过，大部分操作系统嫌弃这种切换方式太消耗时间，并没有完全按照CPU厂商的意图使用TSS。Linux系统也是如此。

在TSS中，包含ss0、esp0、ss1、esp1、ss2、esp2三组数据，正好对应0特权级、1特权级、2特权级三个层次的特权级。

特权级不是有四个层次吗？为什么没有对应3特权级的那一组数据呢？TSS的作用是为低特权级向高特权级转移时提供高特权级的堆栈。3特权级是最低特权级，没有更低的特权级向它转移。

假如，从3特权级向0特权级转移，CPU会从TSS中选择ss0、esp0作为0特权级代码段的堆栈。

流程

使用call SelectorGate:0实现低特权级向高特权级转移的流程如下（不叙述CPL等特权级检查流程，假设满足这些条件）：

1. 执行call语句时。
2. 把当前代码段的堆栈LS的ss_old、esp_old临时保存起来。
3. 从门选择子指向的目标代码段中获取DPL，根据DPL的值，在TSS中选择ss、esp，将堆栈指向的新堆栈。例如，DPL的值是0，选择ss0、esp0。
4. 把ss_old、esp_old中的入栈到新堆栈中。
5. 把LS中的栈元素复制到新堆栈中。复制规则是：从LS的栈顶开始，复制ParamCount个元素。
6. 依次入栈cs、eip。

小结

从低特权级转移到高特权级的方法是，使用调用门，具体语句是call SelectorGate:0。

不能使用jmp。jmp只能在实现短调用，在同一个特权级转移。因为jmp不会将下一条指令的地址存储到新特权级的堆栈中，这意味着，jmp是一个有去无回的指令。从低特权级转移到高特权级的场景，一般是用户进程求助操作系统完成某种功能，需要再次返回用户进程。