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Linux内核的段式管理

作者：来源：zhuxizhi.cublog.cn 发表时间：2006-12-18 浏览次数：字号：大 中 小

段式管理用以将逻辑地址转化为线性地址。一个逻辑地址由一个16位的段选择子和一个32位的偏移量组成。

1、段选择子和段寄存器

为了快速的对段进行访问，i386提供了6个段寄存器以存放段选择子，分别为CS（代码段寄存器）、SS（栈段寄存器）、DS（全局和静态数据段寄存器）、ES（后三个均为任意数据段寄存器）、FS和GS。此外，i386还提供了6个段描述符寄存器（对程序员不可见），用来缓存相应段寄存器所对应段的段描述符。段寄存器格式如下：

Index

TI

RPL

其中，Index有13位，为访问段描述符数组项的下标；TI只有1位，为0表示使用GDT，1表示使用LDT；RPL有2位，用以表示当前进程的特权级别。

2、段描述符
每个段的属性在内存中由一个8字节的段描述符表示，段描述符存放在全局描述符表（GDT）或者局部描述符表（LDT）中，其地址和体积分别保存在GDTR和LDTR寄存器中。段描述符的结构如下：

Base24-Base31				G	D/B	L	AVL	Limit16-Limit19
P	DPL	S	Type	Base16-Base23
Base0-Base15
Limit0-Limit15

其中，Base为32位的段基（线性）地址；Limit为20位的段长度；G只有1位，为0表示段长度以字节为单位，1表示段长度以4KB为单位；D/B只有1位，为0表示为16位段，1表示为32位段；L只有1位，未使用；AVL只有1位，供系统软件使用（Linux从未使用该位）；P只有1位，表示该段内容是否在内存中（Linux从不将整个段替换出内存，故该位恒为1）；DPL有2位，表示访问该段所需要的特权级别；S只有1位，为0表示段为存放关键数据的系统段，1表示段为普通段；Type有4位，定义了段类型和访问权限。

在linux系统中，主要包括代码段描述符、数据段描述符（包含栈段）、任务状态段（TSS，Type字段值为9或11）描述符和局部描述符表（LDT，Type字段值为2）描述符四种段描述符。其中，前两者可以被包含在GDT或LDT中，TSSD和LDTD为系统关键段，仅能包含在GDT中。

3、Linux内核中的分段
出于效率和兼容性的考虑，Linux内核中对分段的支持有限，仅在i386结构有要求时才使用分段。
（1）代码段和数据段
在linux中，所有用户进程都使用相同的代码段（__USER_CS）和数据段（__USER_DS），所有的内核进程都使用相同的代码段（__KERNEL_CS）和数据段（__KERNEL_DS）。这四个段的段描述符主要字段如下：

Segment	Base	G	Limit	S	Type	DPL	D/B	P
__USER_CS	0x00000000	1	0xFFFFF	1	10	3	1	1
__USER_DS	0x00000000	1	0xFFFFF	1	2	3	1	1
__KERNEL_CS	0x00000000	1	0xFFFFF	1	10	0	1	1
__KERNEL_DS	0x00000000	1	0xFFFFF	1	2	0	1	1

即，这四个段均为覆盖整个地址空间的32位普通段，仅有Type和DPL存在差异。在发生特权级变化时，内核会自动将由相应宏表示的段载入到段寄存器中。

（2）Linux中的GDT
在linux中，每个处理器需要一个GDT。所有的GDT都保存在arch/i386/kernel/head.S文件中的cpu_gdt_table数组中，其地址和体积则保存在同一文件的cpu_gdt_descr数组中。GDT表共有32项，其中包含了18个段描述符和14个保留项。这18个段描述符如下：
①段选择子为0x00的null；
②段选择子为0x30、0x38、0x40的三个线程本地存储段（TLS#1-TLS#3），用以辅助多线程程序在本地存储局部数据；
③段选择子为0x60的__KERNEL_CS，段选择子为0x68的__KERNEL_DS，段选择子为0x70的__USER_CS，段选择子为0x78的__USER_DS；
④段选择子为0x80的任务状态段（TSS），用以保存进程的状态，不同处理器的GDT中的TSS不同；
⑤段选择子为0x88的LDT；
⑥段选择子为0x90、0x98、0xA0、0xA8、0xB0的五个和Plug and Play（PnP）BIOS服务相关的段；
⑦段选择子为0xB8、0xC0、0xC8的三个和高级电源管理（APM）相关的段；
⑧段选择子为0xF8的一个特殊的TSS，由内核用以处理“Double fault”异常。

（3）Linux中的LDT
由于Linux的大多数用户进程都不使用LDT，其内核仅在arch/i386/kernel/traps.c文件中定义了一个五元素的数组default_ldt来保存被进程共享的LDT。其中，只有两个可被内核使用：用于iBCS可执行代码的调用门，和用于Solaris /x86可执行代码的调用门。
此外，用户进程可以调用modify_ldt()系统调用来管理自身的LDT，但内核不会对其进行严格的管理。