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i386 保护模式段设置：Bootloader 中的 GDT/IDT 配置与特权级隔离

在最小 x86 内核 bootloader 中，详解 GDT/IDT 设置进入 80386 保护模式，包括段描述符参数、特权环转换与隔离清单。

在开发最小 x86 内核时，80386 保护模式是实现特权隔离的基础。Bootloader 需要正确配置全局描述符表（GDT）和中断描述符表（IDT），定义代码 / 数据段描述符，并处理特权环（Ring）0 到 Ring 3 的转换，从而为内核提供基本的内存访问控制和指令特权检查。本文聚焦工程化参数，给出可直接复制的描述符字节值、汇编片段和隔离清单，避免常见的三重故障（triple fault）。

保护模式与分段机制概述

80386 处理器从实模式切换到保护模式后，引入段机制：所有内存访问通过段寄存器（CS/DS/ES/FS/GS/SS）和 GDT 中的段描述符解析。每个描述符定义基址（base）、限长（limit）、访问权限（DPL）和类型（代码 / 数据）。平坦模型（flat model）下，base=0x00000000，limit=0xFFFFF（G=1 时扩展为 4GiB），简化 C 语言指针使用，但隔离依赖 DPL 和类型检查。

特权环分为 Ring 0（内核）和 Ring 3（用户），当前特权级（CPL）由 CS 选择子低 2 位决定。数据访问要求 CPL ≤ DPL 且 RPL ≤ DPL；Ring 3 无法执行 lgdt/lidt 等特权指令，也不能直接访问 Ring 0 数据段。

GDT 构建：段描述符参数详解

GDT 是数组，每个条目 8 字节。Bootloader 在实模式下构建最小 GDT：

  • 索引 0：空描述符（全 0）。
  • 索引 1：内核代码段（selector 0x08），Ring 0 执行 / 读。
  • 索引 2：内核数据段（selector 0x10），Ring 0 读 / 写。
  • 索引 3：用户代码段（selector 0x1B），Ring 3 执行 / 读。
  • 索引 4：用户数据段（selector 0x23），Ring 3 读 / 写。

描述符字节（平坦 32 位 4GiB）：

内核代码段：

dw 0xFFFF    ; limit low (0-15)
dw 0x0000    ; base low (0-15)
db 0x00      ; base mid (0-7)
db 0x9A      ; access: P=1, DPL=00, Type=1010 (code, exec, read)
db 0xCF      ; flags+limit hi: G=1, D/B=1, L=0, AVL=0 | limit(16-19)=1111
db 0x00      ; base high (24-31)

内核数据段：access 改为 0x92（Type=0010，data, expand-down=0, write=1）。

用户段类似，但 access DPL=11（0xFA/0xF2）。

GDTR 结构：dw (GDT 大小 - 1)，dd GDT 基址。NASM 示例：

gdt_start:
    dq 0                ; null
    ; code desc...
    ; data desc...
gdt_end:
gdt_desc: dw gdt_end - gdt_start -1, dd gdt_start

OSDev Wiki 的 GDT Tutorial 强调，描述符必须精确，否则进入保护模式后立即 GP# 异常。[1]

Bootloader 进入保护模式步骤

实模式（16 位）Bootloader 序列（假设已启用 A20）：

  1. cli 禁用中断。
  2. lgdt [gdt_desc]。
  3. mov eax, cr0 | 1; mov cr0, eax 置 PE 位。
  4. jmp 0x08:pm_entry 远跳转刷新流水线，加载新 CS。

保护模式入口（32 位）：

[BITS 32]
pm_entry:
    mov ax, 0x10; mov ds,ax; mov es,ax; mov fs,ax; mov gs,ax; mov ss,ax
    mov esp, 0x90000  ; 内核栈顶
    ; 继续初始化 IDT 等

此后，所有地址为线性平坦地址。

IDT 初始化：中断门与系统调用

IDT 类似 GDT，256 条目，每条 8 字节（32 位门）。中断门（type=0xE/14）用于 IRQ / 异常，陷阱门（0xF）不自动清 IF。

最小 IDT：默认处理程序（打印寄存器或 hlt）。条目格式：

  • offset low (0-15)
  • selector (KCODE=0x08)
  • 0
  • type_attr (e.g. 0x8E: P=1,DPL=0,type=1110 interrupt)
  • offset high (16-31)

系统调用如 int 0x80，使用 DPL=3 的门（type_attr=0xEE）。IDTR：dw (IDT 大小 - 1)，dd IDT 基址。

在 pm_entry 后立即 lidt，然后可选 sti。

特权环转换：Ring 0 ↔ Ring 3

内核 → 用户：使用 IRET 伪造栈帧。

; 在 Ring 0
mov ax, 0x23; mov ds,ax; ...  ; 加载用户数据段
push 0x23         ; 用户 SS
push user_esp     ; 用户栈顶
pushfd           ; EFLAGS (清 IOPL=0)
push 0x1B        ; 用户 CS
push user_entry  ; 用户 EIP
iret             ; 切换到 Ring 3

用户 → 内核：int 0x80，CPU 自动切换栈（需 TSS）。

TSS（Task State Segment）必需：定义 ss0:esp0 为内核栈。GDT 添加 TSS 描述符（type=0x9，S=0），ltr 加载。

段限与隔离工程清单

平坦模型下，段限不提供内存隔离（全地址可见），但特权检查防止 Ring 3 写内核代码 / 数据。为增强隔离：

  • 参数阈值：

    组件 参数 值 作用
    代码段 limit 0xFFFFF G=1 4GiB 平坦
    DPL 0/3 特权检查
    数据段 Type 0x2/0xA 写 / 执
    TSS limit 0x67 (sizeof TSS-1) 栈切换
    IDT 门 DPL 0x0/0x3 异常 /syscall

  • 隔离清单：

    1. 内核数据段仅 Ring 0，用户不可加载。
    2. 所有用户指针限 Ring 3 段。
    3. 监控 GP# (中断 13) 处理非法访问。
    4. 回滚：若 triple fault，检查 GDT base/limit 和 far jmp。
    5. 后期加分页（CR3/PDPT）真隔离。

常见 pitfalls：GDT 限长错误（dw gdt_end-gdt_start-1），未远跳导致旧 CS 缓存；IDT 未设致异常重置。

监控与调试要点

  • Bochs/QEMU debug：监视 CR0.PE、GDTR/IDTR。
  • 异常栈：#GP (13)/#PF (14) 表示段违规 / 页违。
  • 参数验证：GDT 每个字节手工校验，如 code access=0x9A。

此配置适用于 GRUB 无 GDT 场景的自制 bootloader。后续可扩展 LDT 和分页。

资料来源： [1] OSDev Wiki: GDT Tutorial (https://wiki.osdev.org/GDT_Tutorial) [2] BrokenThorn OSDev Tutorial (https://brokenthorn.com/Resources/OSDev8.html)

（本文约 1250 字，基于公开 OS 开发资源整理，非官方手册。）

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