正常
收尾:验证、下一站与参考
验证
先在 host 上把纯算术的部分钉死。ctest -R usermode 跑 test_usermode.cpp(-DCINUX_HOST_TEST 门控,不链内核代码),它镜像验证:用户态常量(USER_ENTRY_BASE=0x400000、USER_STACK_TOP=0x7FFFFF000、USER_STACK_PAGES=4)、栈大小与基址(16 KB、0x7FFFFB000)、字节码(cli=0xFA、hlt=0xF4、jmp -4 是 EB FC)、STAR 计算(SYSRET CS = 0x08+16+3 = 0x1B、SS 推出 0x13、高 32 位 = 0x00080008)、RFLAGS 0x202、用户页标志 0x7、镜像 TestTSS 的布局(sizeof=104、ist@36、iomap_base@102、rsp@4)、以及 InterruptFrame 用 (cs & 0x03) 判用户态:
bash
ctest --test-dir build -R usermode --output-on-failure真正的 SYSRET/真 GDT/真 IDT/真 PMM/VMM/AddressSpace,只能在 QEMU 里验。run-big-kernel-test 跑 test_usermode.cpp,test section 名是 Usermode Tests (022),八组:TSS RSP0 读写、STAR/EFER MSR 读回(STAR[63:48]=0x08、EFER.SCE=1、SFMASK 仅验「写 0x200 不 #GP」)、用户 AddressSpace 创建/map/translate/隔离、段选择子 inline asm(mov %cs/%ds/%ss、str)、常量、字节码、IST1 配置、usermode_init 已调用:
bash
cmake --build build --target run-big-kernel-test最后是生产 demo 的现象:直接跑大内核,串口应该依次看到 [USER] Setting up first user-mode program... → [USER] User address space activated (PML4 at phys 0x...) → [USER] Jumping to Ring 3: entry=0x0000000000400000 stack=0x0000000007FFFFF000 → 异常转储里 CS = 0x001b → [EXCEPTION] #GP at RIP=0x... from user mode (Ring 3) → Privileged instruction executed in Ring 3 -- protection works!,然后机器 halt 住。CS=0x1B(用户代码段,RPL=3)加上那句 protection works,就是本章交付的全部证据。
下一站
到这里,我们第一次让 CPU 跑进了 Ring 3,又第一次让一条特权指令撞墙弹回来。隔离的「墙」立起来了——但墙是单面通的:用户态进得去,却没法和内核「说话」。它只能用触发异常这种粗暴的方式引起注意,然后整个机器就停了。
真实的用户态不该这样。用户程序应该能合法地请求内核替它做事——往屏幕上写一行字、退出自己、让出 CPU——而不是只能 cli 撞墙。这就需要一条从 Ring 3 回到 Ring 0 的「正门」:SYSCALL 指令,以及内核里处理它的一套入口。下一站(002 · SYSCALL/SYSRET 系统调用)就接这件事:装 syscall 入口、写 sys_write/sys_exit/sys_yield 这几个最基础的系统调用、搭一个最小的 user libc、再让一个真正的 ELF 用户程序(hello)跑起来。022 这章立起来的「墙」和那个硬编码的四字节,是那一切的起点——得先证明用户态被关在笼子里,后面给它开一扇合法的门才有意义。
参考
- Intel SDM Vol.3A §5.8.8 "Fast System Calls in 64-Bit Mode"(本地
document/reference/intel/SDM-Vol3A-System-Programming-Guide-Part1.pdf,手册 5-22 页 / PDF 第 184 页,本章pdf-reader实读核实):SYSRET(REX.W/64 位用户)的CS ← IA32_STAR[63:48]+16、SS ← IA32_STAR[63:48]+8、RIP ← RCX、RFLAGS ← R11,以及 SYSRET 不修改 RSP、SYSCALL 方向的CS ← STAR[47:32]、RFLAGS AND NOT IA32_FMASK。jump_to_usermode的寄存器契约和「软件必须自己切 RSP」的全部依据。 - Intel SDM Vol.3A §5.8.8 Figure 5-14 "MSRs Used by SYSCALL and SYSRET"(同 PDF,目录第 36 页列出 Figure 5-14 在 5-23 页):
IA32_STAR的[63:48]/[47:32]位域布局、IA32_FMASK仅作用于 SYSCALL 方向——本章 STAR 装配与「SFMASK 写不写无所谓」论断的硬件出处。 - Intel SDM Vol.3A §5.9 "Privileged Instructions"(同 PDF,手册 5-23 页起):
HLT/WRMSR/RDMSR/CLTS/LTR等列名,CPL 非 0 执行即#GP——本章用户字节流0xFA(cli)/0xF4(hlt)在 Ring 3 触发#GP、反向证明隔离的依据。(注:CLI受CPL <= IOPL约束、用户态 IOPL 通常为 0,故 Ring 3 执行cli同样#GP;此条 Vol.2ACLI条目,引用时挂 SDM 章节。) - Intel SDM Vol.3A §8 Task Management · 64-Bit TSS(同 PDF,§8.7 Task Management in 64-Bit Mode,Figure 8-11 64-Bit TSS Format):104 字节 TSS 的规范出处,
RSP0(rsp[0])与IST1(ist[0])字段。本章static_assert(sizeof(TaskStateSegment)==104)与 host 测试的TestTSS偏移校验即据此;字段偏移以代码与测试为准,不引死 Figure 编号。 - Intel SDM Vol.2D
WRMSR条目(本地document/reference/intel/SDM-Vol2D-Instruction-Reference-W-Z.pdf,Chapter 6,手册 6-9 页起):WRMSR把EDX:EAX写入MSR[ECX](高 32 位 ← EDX、低 32 位 ← EAX),并对RAX/RDX的高 32 位不予理会——调试现场案一 bug 二(shlq $32vsshlq $16)的根因依据。 - 018 章 · 地址空间:
AddressSpace的「内核半区PML4[256..511]共享、用户半区私有」设计——launch_first_user为什么要手动把 framebuffer 的 identity-mapping 复制进用户 PDPT,就是对上这个设计。 - 本 tag 源码:usermode.S / usermode.cpp / usermode.hpp、gdt.cpp / gdt.hpp、idt.cpp、exception_handlers.cpp(
handle_gp)、vmm.cpp(walk_level的user_flag)、main.cpp;测试 test_usermode.cpp(host 镜像)、test_usermode.cpp(QEMU 机内,sectionUsermode Tests (022))。