一、段描述符的分類

在上一篇博文中已經說過，為了使用段，我們必須要創建段描述符。80X86中有各種各樣的段描述符，下圖展示了它們的分類。

看了上圖，你也許會說：天啊，怎么這么多段描述符啊！我可怎么記住呢？ 別擔心，我會在以后的博文中，跟隨原書的作者，為您逐步介紹。我們的學習是循序漸進的，所以不要求一下子掌握所有東西。我們的原則是：用到什么學什么。我們今天的重點是“存儲段描述符”。

二、段描述符的通用格式^[1]

段描述符是GDT和LDT中的一個數據結構項，用于向處理器提供有關一個段的位置、大小以及訪問控制的狀態信息。每個段描述符的長度是8個字節，含有3個主要字段：

• 段基地址
• 段限長
• 段屬性

段描述符通常由編譯器，鏈接器，加載器或者操作系統來創建，但絕不是應用程序。

下圖給出了所有類型的段描述符的一般形式。

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1.段限長字段Limit

用于指定段的長度。處理器會把段描述符中兩個段限長字段組合成一個20位的值，并根據顆粒度標志G來指定段限長Limit值的實際含義。

如果G=0，則Limit值的單位是B，也就是說Limit的范圍可以是1B到1MB；

如果G=1，則Limit值的單位是4KB，也就是說Limit的范圍可以是4KB到4GB。

根據段類型字段TYPE中的段擴展方向標志E，處理器可以以兩種不同的方式使用Limit。

E=0：表示向上擴展的段（簡稱上擴段），邏輯地址中的偏移值范圍可以從0到Limit；

E=1：表示向下擴展的段（簡稱下擴段），邏輯地址中的偏移范圍可以從Limit到0xFFFF（當B=0時）或者0xFFFF_FFFF（當B=1時）。關于B位，后面將解釋。

2.基地址字段Base

該字段定義在4GB線性地址空間中一個段的字節0所處的位置。也許你覺得這句話不好理解，我們換一種說法：對于一個邏輯地址，如果段內偏移為0，那么這個邏輯地址對應的線性地址就是Base；如果段內偏移為X，那么這個邏輯地址對應的線性地址就是Base+X；

段基地址可以是0~4GB范圍內的任意地址（這同實模式不同，實模式下段基地址要求16字節對齊），但是，為了讓程序具有最佳性能，還是建議段基地址對齊16字節邊界。

3.段類型字段TYPE

該字段用于指定段或者門（Gate）的類型、說明段的訪問種類以及段的擴展方向。該字段的解釋依賴于描述符類型標志S；TYPE字段的編碼對代碼段、數據段或者系統描述符都不同。

4.描述符類型標志S

S=0：表示存儲段描述符。所謂“存儲段”，就是存放可由程序直接進行訪問的代碼和數據的段。說白了，存儲段就是代碼段或者數據段。

S=1：表示系統描述符。

5.描述符特權級字段DPL

用于指明描述符的特權級。特權級范圍從0（最高）到3（最低）。DPL字段用于控制對段的訪問。

6.段存在標志P

用于指出一個段是在內存中（P=1）還是不在內存中（P=0）.

7.D/B（默認操作數大小/默認棧指針大小和上界限）

對于代碼段，此位稱為“D”位；對于棧段，此位稱為“B”位。我們在后文會說。

8.顆粒度標志G

該字段用于確定段限長字段Limit值的單位。

如果G=0，則Limit值的單位是B；

如果G=1，則Limit值的單位是4KB；

注意：這個字段不影響段基地址的顆粒度，基地址的顆粒度總是以字節為單位。

9.可用和保留位

L位（就是上圖灰色的那個位）：是64位代碼段標志，保留此位給64位處理器使用。目前，我們將此位置“0”即可。

AVL：是軟件可以使用的位，通常由操作系統來用，處理器并不使用它。

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三、數據段描述符^[1]

當S=1且TYPE字段的最高位（第2個雙字的位11）為0時，表明是一個數據段描述符。

下圖是數據段描述符的格式。

1.B位（默認棧指針大小和上界限）

對于棧段（由SS寄存器指向的數據段）來說，該位用來指明隱含堆棧操作（如PUSH、POP或CALL）時的棧指針大小。

B=0：使用SP寄存器

B=1：使用ESP寄存器

同時，B的值也決定了棧的上部邊界。

B=0：棧段的上部邊界（也就是SP寄存器的最大值）為0xFFFF;

B=1：棧段的上部邊界（也就是ESP寄存器的最大值）為0xFFFF_FFFF.

2.A位（已訪問）

用于表示一個段最近是否被訪問過（準確地說是指明從上次操作系統清零該位后一個段是否被訪問過）。

當創建描述符的時候，應該把這位清零。之后，每當該段被訪問時（準確地說是處理器把這個段的段選擇符加載進段寄存器時，也許你不懂這句話，沒有關系，現在忽略就可以了。）它就會將該位置“1”；對該位的清零是由操作系統負責的，通過定期監視該位的狀態，就可以統計出該段的使用頻率。當內存空間緊張時，可以把不經常使用的段退避到硬盤上，從而實現虛擬內存管理。

3.W位（可寫）

指示段的讀寫屬性。

W=0：段不允許寫入，否則會引發處理器異常中斷；

W=1：允許寫入。

4.E位（擴展方向）

E=0：表示向上擴展的段（簡稱上擴段），邏輯地址中的偏移值范圍可以從0到Limit；

E=1：表示向下擴展的段（簡稱下擴段，通常是棧段），邏輯地址中的偏移范圍可以從Limit到0xFFFF（當B=0時）或者0xFFFF_FFFF（當B=1時）。

四、代碼段描述符^[1]

當S=1且TYPE字段的最高位（第2個雙字的位11）為1時，表明是一個代碼段描述符。

下圖是代碼段描述符的格式。

1.D位（默認操作數大小）

用于指出該段中的指令引用有效地址和操作數的默認長度。

D=0：默認值是16位的地址和16位或者8位的操作數；

D=1：默認值是32位的地址和32位或者8位的操作數；

說明：指令前綴0x66可以用來選擇非默認值的操作數大小，指令前綴0x67可以用來選擇非默認值的地址大小。

2.A位（已訪問）

與數據段描述符中的A位相同。

3.R位（可讀）

R=0：代碼段不可讀，只能執行。

R=1：代碼段可讀，可執行。

也許有人會問，當R=0時，既然代碼段不可讀，那處理器怎么從里面取指令執行呢？事實上，這里的R屬性并非針對處理器，而是用來限制程序的行為。當常數或者靜態數據被放在了一個ROM中時，就可以使用一個可讀可執行的代碼段，然后通過使用帶CS前綴的指令，就可以讀取代碼段中的數據。

注意：

• 在保護模式下，代碼段是不可寫的。
• 堆棧段必須是可讀可寫的數據段。

4.C位（一致性）

C=0：表示非一致性代碼段。這樣的代碼段可以被同級代碼段調用，或者通過門調用；

C=1：表示一致性代碼段。可以從低特權級的程序轉移到該段執行（但是低特權級的程序仍然保持自身的特權級）。

注意：所有的數據段都是非一致性的，即意味著它們不能被低特權級的程序或過程訪問。然而與代碼段不同，數據段可以被更高特權級的程序或過程訪問，而無需使用特殊的訪問門。

有關特權級和特權級檢查我們以后再討論，這里對上面的概念了解即可，不用深究。

最后，補充一張圖表，也是引用自趙炯的《Linux內核完全剖析》。

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參考資料：

[1]：趙炯，《Linux內核完全剖析》，機械工業出版社. 4.3.4節

與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数据段描述符和代码段描述符（一）——《x86汇编语言：从实模式到保护模式》读书笔记10的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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