深入理解 x86/x64 的中断体系（3） processor, failure

yuyang911220

2.4 IDT 表的 limit 检查  在 IDT 表中查找索引 gate descriptor 时，processor 也会对 IDT 表的 limit 进行检查，这个检查的逻辑是：
  

gate_descriptor = IDTR.base + vector * 8;                  /* get gate descriptor */ if ((gate_descriptor + sizeof(DESCRIPTOR) - 1) > (IDTR.base + IDTR.limit))   {         /* failure: #GP exception */ }

  我们看看下面这个图：
  
  当我们设:
  

• IDTR.base = 0x10000
• IDTR.limit = 0x1f

  那么 IDT 表的有效地址范围是：0x10000 - 0x1001f，也就是：IDTR.base + IDTR.limit 这表示：
  

• vector 0：0x10000 - 0x10007
• vector 1：0x10008 - 0x1000f
• vector 2: 0x10010 - 0x10017
• vector 3: 0x10018 - 0x1001f

  上面是这 4 个 vector 的有效范围，因此：当设 IDTR.limit = 0x1e 时，如果访问 vector 3 时（调用中断3）processor 检测到访问 IDT 越界而出错！
  因此：访问的 vector 地址在 IDTR.base 到 IDTR.base + IDTR.limit（含）之外，将会产生 #GP 异常。
  2.5 请求访问 interrupt handler 时的权限检查  访问权限的检查是 x86/x64 体系中保护措施中非常重要的一环，它控制着访问者是否有权限进行访问，在访问 interrupt handler 过程权限控制中涉及 3 个权限类别：
  

• CPL：当前 processor 所处的权限级别
• DPLg：代表 DPL of gate，也就是 IDT 中 gate descriptor 所要求的访问权限级别
• DPLs：代表 DPL of code segment，也就是 interrupt handler 的目标 code segment 所要求的访问权限级别

  CPL 权限级别代表着访问者的权限，也就是说当前正在执行代码的权限，要理解权限控制的逻辑，你需要明白下面两点：
  

• 要调用 interrupt handler 那么首先你必须要有权限去访问 IDT 表中的 gate，这表示：CPL 的权限必须不低于 DPLg (gate 所要求的权限），这样你才有权限去访问 gate
• interrupt handler 会在高权限级别里执行，也就是说 interrupt handler 会在特权级别里运行。这表示：interrupt handler 里的权限至少不低于访问者的权限

  在调用 interrupt handler 中并不使用 selector 来访问 gate 而是使用使用 vector 来访问 gate，因此中断权限控制中并不使用 RPL 权限类别，我们可以得知中断访问权限控制的要素：
  

• CPL <= DPLg
• CPL >= DPLs

  需同时满足上面的两个式子，在比较表达式中数字高的权限低，数字低的权限高！用 C 描述为：
  

DPLg = gate_descriptor.DPL;               /* DPL of gate */ DPLs = code_descriptor.DPL;               /* DPL of code segment */ if ((CPL <= DPLg) && (CPL >= CPLs))   {      /* pass */ } else {      /* failure: #GP exception */ }

  2.5.1 gate 的权限设置  对于 gate 的权设置，我们应考虑 interrupt handler 调用上的两个原则：
  

• interrupt handler 开放给用户调用
• interrupt handler 在系统内部使用

  由这两个原则产生了 gate 权根设置的两个设计方案：
  

• gate 的权限设置为 3 级：这样可以给用户代码有足够的权限去访问 gate
• gate 的权限设置为 0 级：只允许内核代码访问，用户无权通过这个 gate 去访问 interrupt handler

  这是现代操作系统典型的 gate 权限设置思路，绝大部分的 gate 都设置为高权限，仅有小部分允许用户访问。很明显：系统服务例程的调用入口应该设置为 3 级，以供用户调用。
  下面是很典型的设计：
  

• #BP 异常：BreakPoint（断点）异常的 gate 应该设置为 3 级，使得用户程序能够使用断点调试程序。
• 系统调用：系统调用是 OS 提供给用户访问 OS 服务的接口，因此 gate 必须设置为 3 级。

  系统调用在每个 OS 实现上可能是不同的，#BP 异常必定是 vector 3，因此对于 vector 3 所使用的 gate 必须使用 3 级权限。
  下面是在 windows 7 x64 操作系统上的 IDT 表的设置：
   

<bochs:2> info idt Interrupt Descriptor Table (base=0xfffff80004fea080, limit=4095): IDT[0x00]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abac40, DPL=0 IDT[0x01]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abad40, DPL=0 IDT[0x02]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abaf00, DPL=0   IDT[0x03]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abb280, DPL=3   IDT[0x04]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abb380, DPL=3 IDT[0x05]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abb480, DPL=0 ... ... IDT[0x29]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003bf2290, DPL=0 IDT[0x2a]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003bf22a0, DPL=0 IDT[0x2b]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003bf22b0, DPL=0   IDT[0x2c]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abca00, DPL=3   IDT[0x2d]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003abcb00, DPL=3   IDT[0x2e]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003bf22e0, DPL=0 IDT[0x2f]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003b09590, DPL=0 IDT[0x30]=64-Bit Interrupt Gate target=0x0010:fffff80003bf2300, DPL=0

    上面的粗体显示 interrupt gate 被设置为 3 级，在 windows 7 x64 下 vector 0x2c 和 0x2d 被设置为系统调用接口。实际上这两个 vector 的入口虽然不同，但是代码是一样的。你可以通过 int 0x2c 和 int 0x2d 请求系统调用。
    那么对于系统内部使用的 gate 我们应该保持与用户的隔离，绝大部分 interrupt handler 的 gate 权限都是设置为 0 级的。
    2.5.2 interrupt handler 的 code segment 权限设置    前面说过：interrupt handler 的执行权限应该至少不低于调用者的权限，意味着 interrupt handler 需要在高权限级别下运行。无论是系统提供给用户的系统服务例程还是系统内部使用的 interrupt handler 我们都应该将 interrupt handler 设置为 0 级别的运行权限（最高权限），这样才能保证 interrupt handler 能访问系统的全部资源。
    在权限检查方面，要求 DPLs 权限（interrupt handler 的执行权限）要高于或等于调用者的权限，也就是 CPL 权限，当数字上 DPLs 要小于等于 CPL（DPLs <= CPL）。
    2.6 使用 interrupt gate    使用 interrupt gate 来构造中断调用机制的，当 processor 进入 interrupt handler 执行前，processor 会将 eflags 值压入栈中保存并且会清 eflags.IF 标志位，这意味着进入中断后不允许响应 makeable 中断（可屏蔽中断）。它的逻辑 C 描述为：
          

*(--esp) = eflags;                           /* push eflags */ if (gate_descriptor.type == INTERRUPT_GATE)           eflags.IF = 0;                       /* clear eflags.IF */

          interrupt handler 使用 iret 指令返回时，会将栈中 eflags 值出栈以恢复原来的 eflags 值。
          下面是 interrupt gate 的结构图：
          
          可以看到 interrupt gate 和 trap gate 的结构是完全一样的，除了以 type 来区分 gate 外，interrupt gate 的类型是：
          

• 1110：32-bit interrupt gate
• 0110：16-bit interrupt gate

          32 位的 offset 值提供了 interrupt handler 的入口偏移地址，这个偏移量是基于 code segment 的 base 值，selector 域提供了目标 code segment 的 selector，用来在 GDT 或 LDT 进行查找 code segment descriptor。这些域的使用描述为：
            

if (gate_descriptor.selector.TI == 0)         code_descriptor = GDTR.base + gate_descriptor.selector * 8;        /* GDT */ else         code_descriptor = LDTR.base + gate_descriptor.selector * 8;        /* LDT */ interrupt_handler = code_descriptor.base + gate_descriptor.offset;         /* interrupt handler entry */

            注得注意的是：在 interrupt gate 和 trap gate 中的 selector 它的 RPL 是不起作用的，这个 selector.RPL 将被忽略。
            在 OS 的实现中大部分的 interrupt handler 都是使用 interrupt gate 进行构建的。在 windows 7 x64 系统上全部都使用 interrupt gate 并没有使用 trap gate