segment 寄存器的真实结构

Segment Register 也可以称作 Selector Register，它在整个 x86/x64 体系下实在太重要了。

这里讲解的是 user segment 寄存器，包括：

• Code 段寄存器：CS
• Data 段寄存器：ES, SS, DS, FS 以及 GS

这些段寄存器由 user segment descriptor 装载进去。

我们很有必要先去了解 segment 寄存器的真实结构：

上图是我画的 Segment Registers 内部结构图，这分为 4 个部分：

• Selector
• Attribute
• Limit
• Base

图中已经标出灰色部分是 processor 内部使用的，仅仅只有 Selector 部分可以由用户使用

但是在 64 位模式下，它很特别：

• Base 是 64 位的，但是对于 CS, ES, DS 和 SS 来说 Base 是无效的，而对于 FS 和 GS 来说，它们是有效的，64 位的 Base address 可以由用户设定
• Attribute 只有少数几个属性位是有效的
• Limit 对于所有的 segment registers 来说都是无效的。

注意上面所说的是针对在 64 位模式下。

• selector
• descriptor
• descriptor table

1. 提供基址

Segment registers 的 base 提供基址，无论是 real mode 下还是 protected mode 下，其地址的计算方法都是：base + offset

如果有下面代码：

目标代码地址在 CS.base + eip

2. Segment Registers 的 Attribute 部分

Segment Registers 的 Attribute 是描述段的属性，它在装载 segment descriptor 的时候加载进去设置的，它包括：

• G 属性：segment limit 的粒度，G = 1 是 4K bytes 粒度,　G = 0 是 1 byte 粒度
• D/B 属性：有两重意义：
  • D 属性：对于 code segment 来说代表 default operands，D = 1 时 32 位 default operands，D = 0 时 16 位 default operands
  • B 属性：对于 stack segment 来说代表 default stack size，B = 1 时 32 位 stack size, B = 0 时 16 位 stack size
• P 属性：present 位，表示是否加载到内存中
• DPL 属性：Privilege-Level（权限级别）范围从 0 - 3 级
• S 属性：S = 0 是系统数据 segment， S = 1 用户 segment
• Type 属性：代表 segment 类别

在 real mode 下 segment registers 的 Attribute 一般情况下是初始状态。在 protected mode 下它随着 descriptor 而改变。

2.1 64 模式下的 segment registes attribute

在 64 位模式下大多数属性位都是无效的，并且在 code segment register 和 data segment register 之间也存在差别：

2.1.1 CS 寄存器

在 CS 寄存器里新增了一个属性位：

• L 属性： 它用来指示 processor 当前处于 64 bit 模式还是 compatibility 模式：
  • 当 CS.L = 1 时，processor 处于 64 bit 模式
  • 当 CS.L = 0 时，processor 处于 compatibility 横式

在 64 位下 CS 寄存器只有下面的一些属性位是有效的：

• D 属性
• L 属性
• P 属性
• DPL 属性
• C 属性

但是请注意：

• CS.S = 1 表示：用户的段寄存器
• CS.C/D = 1 表示：该 segment register 是代码段寄存器

这也就是说：加载到 CS 寄存器的 code segment descriptor 你必须将它的 S 属性设为 1，C/D 属性设为 1 才能加载到 CS 寄存器中

S 属性用来设置 system 还是 user 的段寄存器，属性 system 的段寄存器有：LDTR 寄存器和 TR 寄存器

C/D 属性用来指示是 Code 还是 Data 段。

对 CS 寄存器来说，您必须设置这两个属性位为 1 表明它是用户代码段寄存器，否则会产生 #GP 异常

2.1.2 Data segment registers（ES, DS, FS 以及 GS 寄存器）

对于这几个 data 段寄存器（SS 寄存器有些特别，除外）来说，只有下面这个属性才有效：

• P 属性

但是同样需要注意：

• DS.S = 1 表示：用户的段寄存器
• DS.C/D = 0 表示：它是 Data 段寄存器

但是有一种例外：

• 使用 NULL selector 加载到 data segment register 是允许的，processor 将加载 invalid 不可用的 descriptor 到 segment registers 中

也就是说：除了使用 NULL selector 加载外，data segment descriptor 的 S 属性需设为 1，C/D 属性需设为 0 才能加载到 data segment registers 中

对 DS 段寄存器来说，S 必须为 1 并且 C/D 为 0 表明它是用户的数据段寄存器，否则会产生 #GP 异常

2.1.3 SS 寄存器

SS 寄存器是 data segment register 的其中一种，除了要遵循上面的 data segment register 规则外。

它还必须：

• W = 1（Writable）
• E 忽略
• A 忽略

这表示：由 SS 寄存器访问的 stack segment必须是可写的，因此：加载到 SS 寄存器的 data segment descriptor 它的 W 属性必须设为 1（表示可写）

在 64 位模式下可以使用 NULL selector 加载到 SS 寄存器中，processor 不会去读取 GDT 表中的第 1 项，而是以 invalid unused 的 segment 到 SS 寄存器中

但是在 legacy x86 模式和 compatibility 模式下是不能使用 NULL selector 加载来 SS 寄存器的。

3. 更新 segment register 的 base

了解 segment registers 结构有什么好处呢？ 我们来了解一下 segment register 的 base 更新情况。

base 的更新在 real mode 和 protected mode 下是不同的。

3.1　real mode 下的 base 更新

我们来看一下在 real mode 下 segment register 的情形

以上面的代码为例：

这两条代码是在 real mode 下，它有什么奥秘呢？

• 指令 mov ax, cs 中是将 CS 寄存器的 selector 赋给 ax，也就是：mov ax, CS.selector

• DS.selector = ax
• DS.base = DS.selector << 4

DS 寄存器的 selector 得到更新，同时 base 也得到更新，这个 DS 寄存器的 base 的更新规则就是 real mode 下的寻址方式：

• address = segment * 16 + offset

3.2 protected mode 下 base 的更新

在 protected mode 下，base 的更新是在加载 descriptor 进入 registers 时发生：base 被更新为 segment descriptor 的 base 域

4. segment register 的 limit 值

在 real mode 下 segment register 的 limit 一般情况下固定为 0xFFFF（64K 大小），这个值在 processor 初始化时设定。

在 protected mode 下这个值最大范围为 0xFFFFFFFF（4G 大小）依赖于加载的 descriptor 的 limit 值。

5. Segment Registers 的装载

下面代码是在 protected mode 下执行：

将 data segment descriptor 的 selector 赋给 ax，下面的指令：

• mov ds, ax

将会引发 processor 做一系列的工作：

• 获取 data segment descriptor
• 检查访问权限
• 更新 DS 寄存器内部结构

通过权限检查后 processor 将 data segment descriptor 相应的信息更新 DS 内部结构，包括：

• selector 更新
• attribulte 更新
• limit 更新
• base 更新

但是在 real mode 下如果不转到 protected mode 下更新，segment register 的 attribute 和 limit 是永远得不到更新的。它的 limit 值固定为 0xFFFF

关于real mode 下 segment 的 attrbiute 属性，请参见：http://www.mouseos.com/arch/001.html 里有详细描述。

前面已经讲过，selector 会得到更新，而 base 会被更新为 selector << 4

看看下面这段伪代码：

使用了 selector 为 8 获得 descriptor 后进行 DS 寄存器的更新，对 base 的更新要视乎 G 标志位：

• G = 1 时，表示粒度为 4K，limit 乘 4K 后加上值 0xfff，这是为了保证 0xFFFFFFFF 的最大 limit 值
• G = 0 时，表示粒度为 1 byte，limit 就等于 descriptor 的 limit 值

6. 描述 segment register 结构

下面是 C 代码的描述：