使用或不使用 IO 位图创建正确的任务状态段 (TSS) 结构？

Question

阅读 Intel 和 AMD 之间的文档并查看代码有时会让人很难理解如何创建没有 IO 端口位图 (IOPB) 的正确任务状态段 (TSS)。使用 IOPB 创建 TSS 似乎也存在混淆，因为 IO 位图 (IOPB) 是否需要尾随字节似乎不明确0xff。

我知道 TSS 和 TSS 描述符（在 GDT 中）之间存在依赖关系。TSS 描述符控制 TSS 的基地址以及限制。描述符中的限制比结构的实际大小小一（本质上类似于 GDT 和 IDT 记录中指定的大小）。TSS 限制用于确定 IOPB 大小。

我知道：

• TSS描述符限制比整个TSS结构的大小小1
• 16位TSS没有IOPB并且结构是固定大小的
• 基本的32位和64位TSS结构大小相似（数据含义不同）
• 32 位 TSS 可以通过向基本结构添加额外的 DWORD 来支持控制流强制。
• TSS 中的 IOPB 偏移量（字）指向相对于任务段开头的偏移量。
• IOPB 偏移量指向 IOPB 结构的开头，并且在启用虚拟模式增强 (VME)的情况下，IOPB 之前的 32 个字节是中断重定向表。
• 如果未启用 VME，内核可以在基本 TSS 结构的末尾和 IOPB 偏移之间放置额外的每个任务实例数据
• 如果启用了 VME，内核可以在基本 TSS 结构的末尾和 IOPB 以下 32 字节的偏移量之间放置额外的每个任务实例数据。
• 如果存在 IOPB，则每个 0 位表示端口访问权限，1 位表示拒绝权限。

32 位 TSS 结构可以这样可视化：

该链接还包含 16 位 TSS 和 64 位 TSS 结构的布局。

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问题：

• 如果我想要一个没有 IOPB 的 TSS，我应该为 +66h 处的 IOPB 偏移填写什么值？
• 如果我想要带有 IOPB 的 TSS，是否必须0xff在 IOPB 末尾添加一个字节？
• 在上图中，为什么末尾的额外字节被表示为xxxxx111. 如果最后一个字节应该是，0xff那不是吗11111111？

Answer 1

这是一个非常公平的问题。尽管乍一看，带或不带 IO 端口位图 (IOPB) 的 TSS 本质上似乎相当微不足道，但它一直是激烈讨论的焦点；辩论; 文件不正确；不明确的文档；CPU 设计者提供的信息有时会混淆视听。关于这个主题的很好的读物可以在OS/2 Museum中找到。尽管有这个名称，但该信息并不限于 OS/2。从那篇文章中总结出来的一个要点是：

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正确使用 IOPB 显然并非易事。此外，错误设置的 IOPB 不太可能导致明显的问题，但可能不允许访问所需的端口，或者（更糟糕的是，从安全角度来看）允许访问不需要的端口。

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TSS 和 IOPB 的肮脏历史与 386BSD、NetBSD、OpenBSD 中的安全漏洞和错误有关，读起来很有趣，并且应该表明，如果您希望避免引入错误，您提出的问题是合理的。

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问题解答

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如果您不需要 IOPB，您可以简单地用整个 TSS 结构的长度填充 IOPB 偏移字段（不要减 1）。0xff您的 TSS 结构中不应包含尾随字节。TSS 描述符中的 TSS 限制（如您所知）将比该值小 1。Intel手册说，如果IOPB偏移值中的值大于TSS限制，则没有IOPB。如果 IOPB 偏移字段中的值始终比限制大 1，则满足此条件。这就是现代 Microsoft Windows 处理它的方式。

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0xff如果使用 IOPB，请根据 Intel 文档在末尾设置一个附加字节。通过为 all 设置一个额外字节，0xff可以防止在最后 8 个端口开始或结束的任何多端口访问 (INW/OUTW/INL/OUTL)。这将避免多端口读/写可能跨越 IOPB 的末端，从而导致对落在 IOPB 范围之外的端口进行访问的情况。它还会拒绝从最后 8 个端口之前的端口开始并交叉到后面 8 个端口的多端口访问。如果多端口访问的任何端口的权限位设置为 1，则整个端口访问将被拒绝（根据 Intel 文档）

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目前尚不清楚x图中的含义，但如果这些位设置为 0，它们将显示为允许的端口，这不是您想要的。再次强调，遵循英特尔文档并设置一个额外的尾随字节0xff（所有位设置为拒绝访问）。

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来自Intel386 DX 微处理器数据表：

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I/O 权限位图中的每一位对应一个字节宽的 I/O 端口，如图 4-15a 所示。如果某个位为 0，则可以对相应字节宽端口进行 I/O，而不会生成异常。否则，I/O 指令会导致异常 13 故障。由于每个字节宽 I/O 端口都必须是可保护的，因此与字宽或双字宽端口对应的所有位都必须为 0，才能允许字宽或双字宽 I/O。如果所有引用的位均为 0，则允许 I/O。如果任何引用位为 1，则尝试的 I/O 将导致异常 13 故障。

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和

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**重要实现注意事项：I/O 权限位图中 I/O 映射信息的最后一个字节之外必须是包含所有 1\xe2\x80\x99 的字节。所有 1\xe2\x80\x99 的字节必须在 Intel386 DX TSS 段的限制内（见图 4-15a）。

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在 NASM 程序集中，您可以创建一个如下所示的结构：

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tss_entry:\n.back_link: dd 0\n.esp0:      dd 0              ; Kernel stack pointer used on ring transitions\n.ss0:       dd 0              ; Kernel stack segment used on ring transitions\n.esp1:      dd 0\n.ss1:       dd 0\n.esp2:      dd 0\n.ss2:       dd 0\n.cr3:       dd 0\n.eip:       dd 0\n.eflags:    dd 0\n.eax:       dd 0\n.ecx:       dd 0\n.edx:       dd 0\n.ebx:       dd 0\n.esp:       dd 0\n.ebp:       dd 0\n.esi:       dd 0\n.edi:       dd 0\n.es:        dd 0\n.cs:        dd 0\n.ss:        dd 0\n.ds:        dd 0\n.fs:        dd 0\n.gs:        dd 0\n.ldt:       dd 0\n.trap:      dw 0\n.iomap_base:dw TSS_SIZE         ; IOPB offset\n;.cetssp:    dd 0              ; Need this if CET is enabled\n\n; Insert any kernel defined task instance data here\n; ...\n\n; If using VME (Virtual Mode extensions) there need to bean additional 32 bytes\n; available immediately preceding iomap. If using VME uncomment next 2 lines\n;.vmeintmap:                     ; If VME enabled uncomment this line and the next\n;TIMES 32    db 0                ;     32*8 bits = 256 bits (one bit for each interrupt)\n\n.iomap:\nTIMES TSS_IO_BITMAP_SIZE db 0x0\n                                ; IO bitmap (IOPB) size 8192 (8*8192=65536) representing\n                                ; all ports. An IO bitmap size of 0 would fault all IO\n                                ; port access if IOPL < CPL (CPL=3 with v8086)\n%if TSS_IO_BITMAP_SIZE > 0\n.iomap_pad: db 0xff             ; Padding byte that has to be filled with 0xff\n                                ; To deal with issues on some CPUs when using an IOPB\n%endif\nTSS_SIZE EQU $-tss_entry\n

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特别提示：

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• 如果您使用高级语言并创建 TSS 结构，请确保使用打包结构（即：使用 GCC__attribute__((packed))或 MSVC #pragma pack）。查看您的编译器文档以获取更多详细信息。如果不注意此建议，可能会导致在 TSS 结构的末尾添加额外的字节，如果您有 IOPB，则可能会导致问题。如果 TSS 中存在 IOPB，并且添加了额外的填充字节，这些字节将成为 IO 位图的一部分，并可能授予/拒绝您不希望的权限。这是在 BSD 内核中产生错误的故障之一。
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• 在创建带有或不带有 IOPB 的 TSS 时，64 位 TSS 的规则是相同的。即使在长模式（64 位和兼容模式）下，仍会使用 64 位 TSS，并将其加载到任务寄存器中，其方式与在传统保护模式下通过指令完成的操作相同LTR。
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