Кольца защиты

На x86 уровни привилегированности исполняемого кода называются «кольцами защиты». Их 4 штуки.

В Unix-подобных ОС на x86 используются только два кольца: ядро исполняется в кольце 0 (наиболее привилегированном), а пользовательские программы (userspace) — в кольце 3.

Привилегии колец:

Ring 0:

Доступ к железу (port mapped IO, memory mapped IO)
Служебные регистры (GDTR, IDTR, контрольные регистры)
Служебные инструкции (lgdt, lidt, cli/sti, …)

Ring 3:

Доступ к инструкциям/регистрам общего назначения (полностью самостоятельно можно только пользоваться доступной памятью и что-то считать, за всем остальным придется звать ядро).

Актуальный уровень привилегий — CPL (current privilege level) — хранится в младших двух битах регистра cs.

Вообще, селектор сегмента (содержимое сегментного регистра) всегда устроен подобным образом:

┌───────────────────────────┬──┬───────┐
│  Segment descriptor index │  │   PL  │
└───────────────────────────┴──┴───────┘
         13 bits             1b  2 bits

Старшие 13 бит — номер сегмента в таблице дескрипторов (мы используем только одну таблицу дескрипторов — GDT), младшие 2 бита — уровень привилегий.

В дескрипторе сегмента тоже записан уровень привилегий — DPL (D = descriptor). Если вы пытаетесь загрузить в сегментный регистр новый селектор, его PL называется RPL (R = requested). Загрузить новый селектор получится, если max(CPL, RPL) <= DPL. (Таким образом, вы не можете просто загрузить в cs селектор кода ядра и повысить себе привилегии.)

GDT в Yabloko

При запуске Яблока создаются 4 базовых сегмента:

#define USER 3
#define KERNEL 0
#define USER_BASE 0x400000 // 4 MB

// SEG(EFLAGS, base, limit, privilege level) - запись сегмента в GDT

void init_seg_desc(void) {
	seg_desc[SEG_KCODE] = SEG(STA_X|STA_R, 0,         0xffffffff,       KERNEL) 
	seg_desc[SEG_KDATA] = SEG(STA_W,       0,         0xffffffff,       KERNEL)
	seg_desc[SEG_UCODE] = SEG(STA_X|STA_R, USER_BASE, 0xffffffff - USER_BASE, USER)
	seg_desc[SEG_UDATA] = SEG(STA_W,       USER_BASE, 0xffffffff - USER_BASE, USER)
}

// соответственно, физический адрес памяти вычисляется следующим образом:
//  seg.base + instruction.offset

Итого, где и что лежит в физической памяти:

Обработка прерываний

При возникновении прерывания в кольце 3 (аппаратного или программного),
процессору надо повысить свой уровень привилегий, обработать прерывание, а
после понизить его обратно.

При этом мы не можем рассчитывать, что пользовательский код поддерживает осмысленное значение регистра esp, чтобы нам было куда сохранить регистры при обрабоке прерывания. Нам придётся сделать отдельный стек в kernelspace и пользоваться им.

Псевдокод обработки прерывания:

vector X; ←- наш вектор прерываний
gate = idt[X]; <-- берём gate из таблицы прерываний по этому вектору
selector = gate.selector;
dpl = selector.pl; <-- уровень привилегий на котором должен быть обработан X

if cpl > dpl { // cpl - current privilege level
	switch_stack();
	change_privilege_level();
}

// обработка прерывания

Структура стека в момент начала обработки прерывания (cpu/isr.h):

    uint32_t eip, cs, eflags;  // Pushed by the processor automatically
    uint32_t useresp, ss;      // Pushed by the processor for userspace interrupts

Инструкция iret снимает со стека восстанавливаемое значение cs, и если при этом понижается уровень привилегий, то восстанавливает со стека также esp и ss.

Обработка прерываний в Яблоке:

void trap(registers_t *r) {
	if(r->int_no == T_SYSCALL) { // отдельная проверка на системный вызов - частый частный случай прерывания
		switch(r->eax) {
		
		case SYS_exit:
			if(r->ebx) {
				kprinf("Success\n");
			} else { 
				kprintf("Program finished with exit code %d\n", r->ebx);
			}
			killproc(); // переключение стека без сохранения текущего состояния

		case SYS_greet:
			kprintf("Hello world!\n");
			r->eax = 0;
			break;
		
		default:
			kprintf("Unknown syscall);
			r->eax = -1;
			break;
		}
	}
}

Системный вызов

Инструкция int $0x84 (Yabloko-specific, int $0x80 для Linux/i368) - обычное прерывание

%eax ← function

%ebx ← arg1

%ecx ← arg2

%edx ← arg3

Страничная виртуальная память

Страничная виртуальная память - отображение каждого “блока” памяти определенного размера на физическую память внутри процессора

Screenshot 2023-02-05 193419.png

У каждого процесса свое отображение
Стандартный размер страницы - 4KiB
Первые 10 бит адреса - индекс page directory
Вторые 10 бит - индекс в page table
Оставшиеся 12 бит - смещение внутри страницы памяти
Процессор может положить отображение в свой кэш(TLB - translation lookaside buffer) → отображение 20-битного префикса адреса на физический адрес памяти. Сбрасывается после переключения процесса

HSE CAOS 2023